DE1576018A1 - Einspritzbrennkraftmaschine mit einem Kolbenbrennraum - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einspritzbrennkraftmaschine mit im Kolbenboden angeordneten Brennraum und den Zylinderkopf im Bereich zwischen Ein- und Auslassventil durchsetzender Mehrloch-Einspritzdüse O

Bei der Entwicklung neuzeitlicher Verbrennungsmotoren mit direkter Kraftstoffeinspritzung nimmt unter der Vielzahl der dabei auftretenden Probleme die Frage der Gemischaufbereitung und des damit eng zusammenhängenden Verbrennungsablaufes grundsätzlich eine Vorrangstellung ein. Leistung und Wirkungsgrad der LIaschine sowie weitere Betriebseigenschaften derselben hängen in hohem IJasse von diesen Paktoren ab. Es ist schon erkannt worden, dass die Gemischbildung und der Verbrennungsvorgang in erster Linie durch entsprechende Brennraumgestaltung im Zusammenwirken mit einer besonderen Führung der eingespritzten Kraftstoffstrahlen beeinflusst werden können. Von dieser Erkenntnis ausgehend, sind schon zahlreiche Konstruktionen geschaffen wo-rden, die sich in der Praxis mit mehr oder weniger groasem Erfolg bewährt haben. Allen diesen bekannten Ausführungen ist Jedoch der gemeinsame Nachteil eigen, dass sie stets Xompromi.ualösun^en darstellen, bei denen zur Erzielung speziell erwünschter Betriebseigenschaften stets an-

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derweitige betriebliche Erfordernisse in den Hintergrund treten und vielfach unberücksichtigt bleiben müssen.

So hat beispielsweise die Erfahrung mit einer bekannten Sinspritzbrennkraftmaschine der eingangs genannten Art gelehrt, dass es auch bei einer an sich günstigen Kraftstoffverteilung durch eine Mehrloch-· Einspritzdüse ober einen im Kolbenboden angeordneten Brennraum zu nachteiligen Nebenerscheinungen durch heftiges Einsetzen der Zündung kommen kann, was sich trotz Anwendung von Einspritzdüsen mit verhältnisiaässig grosser Lochzahl und dementsprechend beachtlichem Aufwand für eine gute Gemischaufbereitung in einem relativ lauten Gang des Motors und in einer libermässigen Beanspruchung der Triebwerksteile und Lager der daschine äussert.

Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, bei einer EinspritzbrennkrEiftmaschine der eingangs genannten Art optimale Verhältnisse für den Verbrennung^ ablauf und zugleich eine bessere Laufruhe der Maschine in allen Drehzahlbereichen zu schaffen.

Die Erfindung geht dabei von Brennkraitmaschinen mit einem Kolbenbrennraum aus, dessen grösster Durchmesser im Kolbenboden liegt und der im o.T. des Kolbens den grossten Teil der Ladungsmenge aufnimmt, in dem am Ende des Kompressionshubes vorzugsweise ein Luftwirbel vorhanden ist und in den Kraftstoff aus einer Dreilochdüse an die Seitenwand des Kolbenbrennraumes gespritzt wird, deren Austrittsöffnungen näher den Achsen des Zylinders und des Kolbenbrennraumes als dex· Seitenwand des Kolbenbrennraumes i.o.T. des Kolbens liegen. Bei einer solchen Brennkraftmaschine ist insbesondere

bereits vorgeschlagen worden, die eingespritzten Kraftstoffteilchen auf kugelige Flächen exzentrisch aufprallen zu lassen, die im Inneren des Kolbenbrennraumes und zwar an der Seitenwand der Brennraummulde des Kolbenbodens vorragen". Selbst die damit angestrebte sozusagen mechanische Auflösung der Kraftstoffstrahlen führte jedoch nicht zum Erfolg, was schon in dem Fehlen einer Verwirklichung dieses Gedankens zum Ausdru.ck kommt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Problemstellung wird dadurch gelöst, dass bei einer Brennkraftmaschine der zuletzt beschriebenen - jedoch nicht mit Prallflächen versehenen - Art folgende je an sich bekannte Verhältniswerte eingehalten sind:

d = 0,4 bis 0,6
D

_! = 0,^ bis 0,7 und
d

α = 150 + "ι

worin d der grösste im Kolbenboden gelegene Durchmesser des Kolbenbrennraumes, T die grösste Tiefe des Kolbenbrennraumes, D der Kolbendurchmesser und α der Kegel-V/inkel der Kraftstoff strahlen ist.

Es hat sich überraschend gezeigt, dass durch diese LIassnahmen ein wesentlich ruhigerer Gang und ein günstiges Startverhalten der Brennkraftmaschine erzielt werden. Es wird, angenommen, dass für dieses günstige Betriebsverhalten das Zusammenwirken mehrerer Faktoren entscheidend ist, die die Kraftstoffzerstäubung und -Verteilung massgeblich beeinflussen. Durch die vorgesehene Strahlaufteilung und -lenkung im Bereich der einzigen Brennraummulde wird offenbar das Absplittern von Brennstoffteilchen von den Strahlen der Einspritzdüse auf ein Ausmass beschränkt, das sowohl die Zündbe-

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dingungen beim Anlassen des Motors als auch die Ausbildung einer gleichmässig fortschreitenden Flammenfront im Hormalbetrieb besonders begünstigt. Damit sind die bereits erwähnten unerwünschten Hebenerscheinungen einer detonativ einsetzenden Verbrennung vermindert, die vermutlich darauf zurückzuführen sind, dass die von den Strahlen der Einspritzdüse in grosser Zahl absplitternden Brennstoffteilchen einen frei schwebenden Anteil des eingespritzten Kraftstoffes bilden, der für einen ruhigen Verbrennungsbeginn zu gross ist.

Bei anderen bekannten Motorausführungen mit Zweibzw. Dreiloch-Einspritzdüse hat man den genannten Nachteilen dadurch zu begegnen versucht, dass eine Unterteilung des Kolbenbrennraumes in zwei bzw. drei nebeneinanderliegende Brennraummulden vorgenommen wurde, denen jeweils ein Düsenstrahl zugeordnet war. Pur die Zündung und Bildung einer einheitlichen Flammenfront ergeben sich aber durch die Unterteilung des Brennraumes nicht eindeutig definierte und damit unsichere Verhältnisse. Es ist jedenfalls nicht möglich, in beiden Teilen des Brennraumes völlig äquivalente Zündbedingungen herzustellen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind im folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Anwendungsbeispiele der Erfindung und einer Gegenüberstellung der Wirkung einer erfindungsgemässen Brennkraftmaschine mit einer bereits bekannten erläutert.

Es zeigen Fig. 1 einen Schnitt durch den erfindungswesentlichen Bereich des Kolbens und des Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine, Fig. 2 dazu eine Draufsicht auf den Kolbenboden und Fig. 3 die Gegenüberstellung der Zylinderdrücke bei einem bisher üblichen

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Verbrennungssystem und einer Brennkraftmaschine nach der Erfindung, dargestellt in einer Frequenzanalyse. Der Brennraum ist von einer drehkörperförmigen Brennraunimulde 1 im Boden des Kolbens 2 gebildet, deren Achse 3 exzentrisch und parallel in bezug auf die Zylinderachse 4 angeordnet ist. Die Brennraumniulde 1 besitzt eine nach aussen sich erweiternde konische Mantelfläche 5, die mit einer Abrundung in die zur Lütte flach kegelig ansteigende Bodenfläche β übergeht.

Den Zylinderkopf 7 der Brennkraftmaschine durchsetzt ein zur Zylinderachse 4 schräg geneigter Düsenhalter 9 mit Dreiloch-Einspritzdüse 8, der unter Beilage einer Dichtungsscheibe 9^f in nicht dargestellter //eise gegen den Boden des Zylinderkopfes 7 verspannt ist. Die fjchrägstellung der Einspritzdüse 8 ist z.B. durch die aus der Zeichnung nicht ersichtliche Anordnung des Mn- und Auslassventiles bestimmt.

Die Strahlöffnungen der Einspritzdüse 8 sind in bekannter Weise derart angeordnet, dass die einzelnen Düsenstrahlen 10,11 und 12 auf der Hantelfläche eines gedachten Kegels liegen, dessen Achse 13 parallel und exzentrisch in bezug auf die Zylinderachse liegt. Der längste Düsenstrahl 10 ist gegen die Zylinderachse 4 gerichtet. Dia Düsenstrahlen 10,11 und 12 schliessen miteinander gleiche Winkel ein.

Durch die Verwendung der Dreiloch-Düse 8 und die besondere Ausrichtung ihrer Düsenstrahlen 10, 11 und 12 wird eine gleichmässige Kraftstoffverteilung in der Brennraummulde 1 erzielt und gleichzeitig das Absplittern von Brennstoffteilchen der einzelnen Strahlen auf ein tragbares Mass beschränkt. Es kommt daher nicht zur Bildung grösserer freischwebender Kraftstoffmengen, aia zu einem schlagartigen und hef-

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tigen Einsetzen der Zündung führen würden. Gute Brennstoffausnutzung und ein geräuscharmer Lauf der Brennkraftmaschine sind die wesentlichen daraus resultierenden Vorteile der erfindungsgemäss ' ausgeführten Maschine.

Bei dem Diagramm in Fig. 3 sind die bei einer Frequenzanalyse ermittelten Pegel des Zylinderdrucks einer Brennkraftmaschine einer bisher als gut geltenden Bauart mit direkter Einspritzung mit denen einer gleichwertigen Maschine nach der Erfindung verglichen. Bei der bekannten Maschine handelt es sich um eine solche mit in der Mitte des konzentrisch zum Kolbenumfang liegenden Kolbenbrennraums mündender Fünf-Loch-Einspritzdüse, deren Strahlen miteinander gleiche Zentriwinkel einschliessen und innerhalb der Brennraummulde so flach verlaufen, dass sie auf die Seitenwand der im Meridianschnitt flach W-fÖrmigen Mulde des Kolbenbodens auftreffen. Die Einspritzdüse ist dabei gegen die Zylinderachse unter etwa 15° geneigt. Aus dem Diagramm, dessen Ordinate die Druckpegelwerte in dB, dessen Abszisse die für die akustische Wirkung des Motors massgebenden Frequenz von 20 bis 20 000 Hz umfasst, ist zu erkennen, dass die Werte der für die bisher üblichen Verbrennungsverfahren repräsentativen Druckpegel, die in dem Diagramm strichliert eingetragen sind, fast durchwegs - im besonderen aber in dem für die Schalllästigkeit massgebenden Bereich zwischen den Geraden A-A und B-B, die den Frequenzen 500 bzw. 8000 Hz entsprechen, -beträchtlich über jenen Werten liegen, die sich für die Brennkraftmaschine nach der Erfindung ergeben und in dem vollen Linienzug dargestellt sind. Es ist daraus zu erkennen, in welchem grossen Umfang der Gegenstand der Erfindung der bei modernen Motoren

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immer bedeutsamer werdenden' Verminderung des Laufgeräusches entspricht. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die aufgezeigten Unterschiede in den Druckpegeln hauptsächlich bei höheren Drehzahlen in Erscheinung treten und zwar gerade in dem Bereich, der für den unangenehmen metallischen Klang verantwortlich ist.

Die veranschaulichte Verminderung der Druckpegel gibt im gleichen Hass eine Verkleinerung der mechanischen Beanspruchung der Bauteile, wodurch die Sicherheit gegen Bruch, bei den Lagern gegen vorzeitige Abnützung,, erhöht wird.

Im Rahmen der Erfindung sind auch Abweichungen vom dargestellten Ausführungsbeispiel, insbesondere hinsichtlich der noch von anderen betrieblichen Erfordernissen abhängigen Formgebung ier Brennraummulde, aber auch bezüglich der Wahl der Strahlwinkel der Einspritzdüse möglich.

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Claims (1)

1. ^Patentanspruch:

   Einspritzbrennkraftmaschine mit einem Kolbenbrennraum, dessen größter Durohmesser im Kolbenboden liegt und der im o.T. des Kolbens den größten Teil der ladungsmenge aufnimmt, in dem am Ende des Kompressionshubes vorzugsweise ein Luftwirbel vorhanden ist und in den Kraftstoff aus einer Dreilochdüse an die Seitenwand des Kolbenbrennraumes gespritzt wird, deren Austrittsöffnungen näher den Achsen des Zylinders und des Kolbenbrennraum.es als der Seitenwand des Kolbenbrennraumes i.o.T. des Kolbens liegen, gekennzeichnet durch die folgenden je an sich bekannten Verhältniswerte:

   d = 0,4 bis 0,6
   D

   T = 0,3 bis 0,7 und
   d

   α = 150 + 10°,

   worin d der größte im Kolbenboden gelegene Durchmesser des Kolbenbrennraumes, T die größte Tiefe des Kolbenbrennraumes, D der Kolbendurchmesser und α der Kegelwinkel der Kraftstoffstrahlen ist.

   10.3.1969
   Gr

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