DE1751800A1

DE1751800A1 - Kolbenbrennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung

Info

Publication number: DE1751800A1
Application number: DE19681751800
Authority: DE
Inventors: Horst Dipl-Ing Hardenberg; Josef Dr-Ing Reisacher
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1968-07-31
Filing date: 1968-07-31
Publication date: 1971-08-12
Also published as: GB1249519A

Description

Daimler-Benz Aktiengesellschaft Paint 78897*+

Stuttgart-Untertürkheim ' 30. Juli 1968

Patentanmeldung

Kolbenbrennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung

Die Erfindung betrifft eine Kolbenbrennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung in den Verdichtungshub der einen im wesentlichen axial rotationssymmetrischen Kolbenbrennraum aufweisenden Maschine mittels mindestens einer im Zylinderkopf nahe dem Brennraumrand des in seiner oberen Totpunktlage befindlichen Kolbens angeordneten Lochdüse mit zumindest zwei Einspritzstrahlen, von denen der ein angenähert tangential zum Brennraum in Richtung der rotierend einströmenden Verbrennungsluft auf die Brennraumwand gerichtet ist.

3ei einer solchen bekannten Brennkraftmaschine sind zwei oder mehr Einspritzstrahlen einer Einspritzdüse gegen verhältnismäßig tief im Kolbenbrennraum befindliche Wandstellen gerichtet und weisen im wesentlichen in Drallrichtung der rotierend einströmenden Verbrennungsluft verlaufende Richtungen auf. Dabei steht dem durch die Wandauftragung erzielten weichen Lauf der Maschine der Nachteil eines schlechten Startverhaltens und enger, hoher Kolbenbrennräume gegenüber. Der erstgenannte Nachteil führt zu seiner Hinderung zur Forderung nach einer möglichst hohen Drallgeschwindigkeit der einströmenden Verbrennungsluft, was jedoch insbesondere bei hohen Drehzahl und entsprechend hohen Kolbengeschwindigkeiten der Maschine infolge Drosselverlusten zu einer schlechten Füllung und damit zu einer verminderten Leistung der Maschine führt. Der zweitgenannte Nachteil bedingt hohe und schwere Kolben, die die Massenkräfte

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und die konstruktiven Abmessungen und damit auch das Gev/icht der ganzen Maschine erhöhen.

Andere, z.B. eine zentral über dem Kolbenbrennraum angeordnete Einspritzdüse mit vier Einspritzstrahlen aufweisende bekannte Brennkraftmaschinen weisen ein besseres Startverhalten auf und ermöglichen niedrigere, leichtere Kolben sowie eine geringere Umlaufgeschwindigkeit der rotierend einströmenden Verbrennungsluft, da der Kraftstoff von den vier entlang dem Muldenumfang verteilten Strahlen aus leichter auf den Umfang des Kolbenbrennraumes verteilt werden kann» Infolge etwa gleicher Zündbedingungen für alle vier Einspritzstrahlen und der schnelleren Vermischung des Kraftstoffs mit der Luft ergibt sich jedoch eine schlagartig einsetzende Verbrennung mit entsprechend stellen Druckanstiegen und geräuschvollem Lauf der Maschine. Beide genannten Direkteinspritzverfahren konnten sich deshalb bisher nicht für Brennkraftmaschinen mit Hubvolumen unter 0,8 Liter je Zylinder durchsetzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Brennkraftmaschine so zu vervollkommnen, daß die vorgenannten Mängel vermieden werden und die Direkteinspritzung damit nach Möglichkeit auch für kleinere Hubvolumen je Arbeitszylinder der Maschine möglich gemacht wird.

Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgem&ß im wesentlichen dadurch gelöst, daß mindestens ein weiterer Einspritzstrahl der eingangs genannten Brennkraftmaschine als Gegendrallstrahl im wesentlichen entgegen der Strömungsrichtung der einströmenden Verbrennungsluft gerichtet und der Kolbenbrennraum als eine im Verhältnis zum Kolbendurchmesser flache Mulde ausgebildet ist, und daß alle Einspritzstrahlen nach nahe dem äußeren Muldenrand entlang der dortigen Umfangsstelle der Mulde verteilt befindlichen Auftreffstellen hin gerichtet sincf. .

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Durch eine solche Einspritzanordnung der Brennkraftmaschine ergibt sich für den Gegendrallstrahl eine wesentlich frühere Aufbereitung und Zündung als für die restlichen, im wesentlichen in Drallrichtung der Luft gerichteten Einspritzstrahlen, wodurch trotz einer zuverlässigen Zündung eine sanfte Verbrennung mit langsamem Druckanstieg gewährleistet wird. Die Verteilung des eingespritzten Kraftstoffs auf den äußeren Randbereich der Muldenwand ermöglicht nicht nur eine geringe Tiefe des Kolbenbrennraumes und damit flache und leichte Kolben, sondern sie gewährleistet auch eine vollkommene Aufbereitung des vom ' einströmenden Luftwirbel teilweise unmittelbar und teilweise nach der Wiederablösung von der Muldenwand erfaßten Kraftstoffs. Mit einer entsprechend vollkommenen Verbrennung können somit auch besonders günstige Verbrauchswerte erzielt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist bei kleinem Hubvolumen die einzige Einspritzdüse im Zylinderkopf oberhalb einer außerhalb der Öffnungskreisfläche der Mulde gelegenen Nische der Mulde angeordnet und weist zwei Strahlrichtungen auf, deren Auftreffstellen an der Muldenwand zugleich die Ecken eines gleichschenkligen Dreiecks bilden, dessen der dritten, durch die Einspritzdüse gebilde- _ ten Ecke gegenüberliegende Grundseite zugleich ein Durchmes- ^<; ser der Mulde ist. Eine solche Anordnung gewährleistet auch bei kleinen Kolben und entsprechend kleinen Brennraummulden eine genügend große freie Strahllänge des Gegendrallstrahles, der durch die Luftströmung im übrigen annähernd quer zu seiner Richtung aufgerissen und damit durch die Verbrennungsluft besonders günstig aufbereitet wird.

Gemäß einer anderen, ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind insbesondere bei großen Hubvolumen zwei ·

in bezug auf die Mulde diametral gegenüberliegende Einspritzdüsen nit je zwei Einspritzstrahlen vorgesehen, die mit einer

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höchstens etwa dem Muldenradius entsprechenden, freien Strahllange und jeweils unter Einschluß eines stumpfen Winkels nach vier entlang dem Muldenumfang verteilten Auftreffstellen gerichtet sind. Bei einer solchen Einspritzanordnung ergeben sich jeweils zwei in Gegendrallrichtunr und zwei in Drallrichtung der einströmenden Verbrennungsluft gerichtete Einspritzstrahlen und damit auch für große Kolben und Hubvolumen etwa gleich günstige Gemischbildungs¹- und Verbrennungsverhältnisse, wie sie vorstehend für kleinere Hubvolumen und Kolben beschrieben ψ sind.

Mach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens der obere Muldenteil', kegelförmig ausgebildet} womit erreicht werden kann, daß die Einspritzstrahlen in der in Strahlrichtüng verlaufenden Schnittebene etwa rechtwinklig auf die Muldenwand auftreffen, so daß für den auf die Muldenwand aufgebrachten Kraftstoff keine Ausbreitungskomponenten entstehen, die nach unten zum Muldenboden hin gerichtet sind. Die auf den äußeren Wandbereich der Mulde beschränkte Kraftstoffauftragung macht damit besonders flache Mulden und entsprechend kurze, leichte Kolben möglich.

* Andere Augestaltungen betreffen weitere konstruktive Einzelheiten der erfindungεgemäßen Brennkraftmaschine.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht; es zeigen:

Fig. 1 einen schematisch gehaltenen axialen Teilschnitt • eines Arbeitszylinders einer Brennkraftmaschine■

gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 die Einepritzanordnung der Brennkraftmaschine gemäß , Fig. 1 in einer Draufsicht auf deren Ärbeitsicölben;

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Flg. 3 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung einer Brennkraftmaschine mit besonders kleinem Hubvolumen gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 eine der Fig. 2 entsprechende Draufsicht auf den Arbeitskolben der Brennkraftmaschine gemäß Fig. 3; ■

Fig. 5 eine der Fig. 1 entsprechende Schnittdarstellung einer Brennkraftmaschine mit einem großen Hubvolumen und entsprechend großem Kolben; '

Fig. 6 eine der Fig. 2 entsprechende Draufsicht auf den %

Arbeitskolben der Brennkraftmaschine gemäß Fig. 5,

Der Arbeitskolben 1 der in den Fig. 1 und 2 dargestellten, als Dieselmaschine ausgebildeten Brennkraftmaschine gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel weist eine den Brennraum bildende axiale Mulde 2 auf, deren obere Seitenwand 3 kegelförmig ausgebildet ist, wobei an den oberen Muldenteil ein Bodenbereich 4 anschließt, der gegenüber dem oberen Muldenteil unter Bildung eines Absatzes 5 auf einen kleineren Durchmesser abgesetzt ist.

Nahe einer Randstelle der Mulde 2des kurz vor seinem Verdichtungs-Totpunkt zum Zeitpunkt der Einspritzxing befindlichen \ Arbeitskolbensl ist im Zylinderkopf 6 eine" als Lochdüse ausgebildete Einspritzdüse 7 angeordnet, die den Kraftstoff in zwei in Draufsicht des Kolbens etwa einen rechten Winkel einschließenden Einspritzstrahlen 8 und 9 gleicher freier Strahllänge nach zwei (theoretischen) Auftreffstellen 8' und 9' im oberen Bereich der Seitenwand 3 der Mulde 2 hin spritzt, die diametral gegenüberliegen. Zum Zeitpunkt der Einspritzung rotiert die in üblicher, nicht besonders dargestellter Weise drallförmig in den Arbeitszylinder 10 der Brennkraftmaschine eingeführte Verbrennungsluft in der Mulde 2 in Richtung des Pfeils 11 der Fig. 2. Infolgedessen ist der nachstehend auch als Gegendrallstrahl bezeichnete Einspritzstrahl 8 im wesentlichen entgegen

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der Drallrichtung und der Einspritzstrahl 9 im wesentlichen in Drallrichtung der rotierenden Verbrennungsluft gerichtet und es ergeben sich selbst bei verhältnismäßig kleinem Hubvolumen des dargestellten Arbeitszylinders 10 noch verhältnismäßig große freie Weglängen der Einspritzstrahlen. Der Gegendrallstrahl 8 wird durch die hohe Relativgeschwindigkeit zwischen Luft und Kraftstoff zum Teil bereits in Richtung der Pfeile 12 der Fig. 2 vom Luftstrom aufgerissen und bevorzugt aufbe- ^ reitet, so daß dieser Teil rasch zur Zündung kommt. Ein weiterer Teil des Gegendrallstrahles 8, der auf die obere Seitenwand 3 der Mulde 2 gelangt, wird durch die Luftströmung in dem Bereich 8" der Seitenwand 3 verteilt. Der in Richtung der Luftströmung eingespritzte Einspritzstrahl 9 gelangt trotz der freien Weglänge zum allergrößten Teil auf die Seitenwand 3, wo er entlang dem Bereich 9" auf der Seitenwand 3 verteilt wird. Der zunächst auf die Seitenwand 3 aufgetragene Kraftstoff kann erst zu einem wesentlich späteren Zeitpunkt als der unmittelbar aufbereitete Teil des Gegendrallstrahles 8 gezündet werden, weil er zunächst von der Seitenwand 3 wieder abgelöst und verdampft werden muß. Infolgedessen ergibt sich eine sanfte Verbrennung mit langsamem Druckanstieg* ·

Die günstige Aufbereitung des unmittelbar luftverteilten Kraftstoffanteils des Gegendrallstrahles 8 gewährleistet selbst bei sehr kleinem Hubvolumen und auch bei relativ niedrigem Verdichtungsverhältnis ein günstiges Startverhalten der nach dem Dieseiverfahren arbeitenden Brennkraftmaschine. Außerdem ermöglicht die weitgehende Verteilung des Kraftstoffs im Bereich der oberen Seitenwand 3 der Mulde 2, daß der Kraftstoff bereits bei einer relativ kleinen Drallgeschwindigkeit der Luft ausgebreitet und von der Muldenwand wieder abgelöst wird, weshalb selbst bei hoher Drehzahl der Maschine eine gute Füllung gewährleistet wird.

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Durch die kegelige Ausbildung der oberen Seitenwand 3 der Mulde 2 wird erreicht, daß der auf diese Seitenwand gelangende Kraftstoff keine nach unten, d.h. nach dem Bodenbereich 4 der Mulde 2 hin gerichtete Ausbreitungskomponente erhält und die Mulde 2 damit flacher und der ganze Kolben kürzer und leichter als bei bisher üblichen Kolbenbrennräumen ausgebildet werden kann. Etwa je entlang der Seitenwand 3 nach unten ausgebreiteter Kraftstoff wird durch den Absatz 5 oberhalb des Bodenbereichs 4 der Mulde 2 daran gehindert, nach dem axialen Mittelbereich des Muldenbodens und damit in den "™

zentralen Abgasbereich der Mulde zu gelangen. Der etwa bis zum Absatz 5 gelangte Kraftstoff wird an dieser Stelle durch die Luftströmung von der Wandung bevorzugt abgelöst und von der rotierenden Luftströmung mitgerissen.

Die in den Fig« 3 und % dargestellte, dem zweiten Ausführungsbeispiel entsprechende Brennkraftmaschine unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform lediglich dadurch, daß die Einspritzdüse 7 im Zylinderkopf 6 oberhalb einer außerhalb der Öffnungskreisfläche der Mulde 2 gelegenen Nische 13 der Mulde '2 angeordnet ist, so daß die beiden, nach den gleichen (theoretischen) Auftreffstellen 8'und 9¹ ge- A

richteten Einspritzstrahlen 8a und 9a lediglich eine größere freie Strahllänge aufweisen und einen gegenüber den Einspritz strahlen 8 und 9 des ersten Ausführungsbeispieles kleineren Winkel einschließen. Mit der größeren freien Strahllänge der Einspritzstrahlen 8a und 9a ergibt sich für den Gegendrallstrahl 8a ein größerer luftverteilter Anteil und ein weiterhin verbessertes Zündverhalten. Umgekehrt kann die Brennkraftmaschine gewünschtenfalls aber auch mit einem gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel kleinerem Hubvolumen und kleineren Kolbenabmessungen ausgebildet werden, da gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel trotzdem gleiche freie Weglängen der Einspritzstrahlen wie beim ersten AusfÜhrungsbei-

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spiel erzielt werden können. Die Einspritzanordnung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel eignet sich deshalb besonders für kleine Hubvolumen der Arbeitszylinder.

Bei der dem dritten Ausführungsbeispiel entsprechenden, in den Fig. 5 und 6 dargestellten Brennkraftmaschine gegenüber den vorhergehenden Beispielen größerer Hubvolumens der Arbeitszylinder sind zwei in bezug auf die Mulde 2 diametral gegenüberliegende Einspritzdüsen 7 mit je zwei Einspritzstrahler W 8b und 9b vorgesehen, die mit einer höchstens etwa dem I'uldenradius entsprechenden freien Strahllänge und jeweils unter Einschluß eines stumpfen Winkels nach vier entlang dorn Kuldenumfang verteilten Auftreffstellen 8'b und 9'b gerichtet sind. Es bedarf keiner weiteren Erläuterung, daß sich bei einer solchen Einspritzanordnung auch für größere Hubvolumen und Kolbendurchmesser gleich günstige Verhältnisse ergeben, wie sie vorstehend für kleinere Brennkraftmaschinen erläutert sind.

Die Erfindung ist nicht an alle Einzelheiten der beschriebenen Ausführungsbeispiele gebunden. Die unterschiedlichen *p Ausführungsbeispiele lassen z.B. erkennen, daii· es ohne v:ei~ teres möglich ist, die mittlere freie Strahllänge der Einspritzstrahlen den optimalen Verhältnissen anzupassen und beispielsweise auch dem Gegendrallstrahl eine etwa das 1,7-Fache des Muldenradius betragende mittlere freie Strahllänge zu geben♦ Im Bereich der Strahlspitze des bzw. eines Gegendrallstrahles kann auch eine Fremdzündquelle (Zündkerze oder Glühkerze) angeordnet sein, womit nicht nur das Kaltstartverhalten einer Dieselmaschine weiterhin verbessert werden kann, sondern 'womit die betroffene Bi*ennkraftmaechine gewünschtenfalls auch mit Fremdzündung betrieben werden kann.

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Claims

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Patentansprüche

1. Kolhenbrennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung in den Verdichtungshub der einen im wesentlichen axial rotationssymmetrischen Kolbenbrennraum aufweisenden Maschine mittels mindestens einer im Zylinderkopf nahe dem Brennraumrand des •in seiner oberen Totpunktlage befindlichen Kolbens angeordne- ^ ten Lochdüse mit zumindest zwei Einspritzstrahlen, von denen der eine angenähert tangential zum Brennraum in Richtung der rotierend einströmenden Verbrennungsluft auf die Brennraumwand gerichtet ist» dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weiterer Einspritzstrahl (8 bzw. 8a, 8b) als Gegendrallstrahl im wesentlichen entgegen der Strömungsrichtung der einströmenden Verbrennungsluft gerichtet und der Kolbenbrennraum als eine im,Verhältnis zum Kolbendurchmesser flache Mulde (2) ausgebildet ist, und daß alle Einspritzstrahlen (8, 9 bzw. 8a, 9a bzw. 8b, 9b) nach nahe dem äußeren Muldenrand entlang der dortigen Umfangsstelle der Mulde (2) verteilt befindlichen Auftreffstellen (8^f, 9^f bzw. S'b, 9'b) hin ge- «- richtet sind. ■ . I

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet:, daß die mittlere freie Strahllänge des Gegendrallstrahles (8 bzw. 8a, 8b) bei kleinem Hubvolumen und der Anordnung nur einer Einspritzdüse (7) größer als der Muldenradius ist.

3. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse (7> im Zylinderkopf · (6) oberhalb einer außerhalb der Öffnungskreisfläche der Mulde (2) gelegenen Nische (13) der Mulde (2) angeordnet ist und zwei Strahlrichtungen aufweist, deren Auftreffstellen

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(8¹ und 9') an der Muldenwand (Seitenwand 3) zugleich Ecken eines gleichschenkligen Dreiecks bilden, dessen der dritten, durch die Einspritzdüse (7) gebildeten Ecke gegenüberliegende Grundseite zugleich ein Durchmesser der Mulde (2) ist.

H. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere freie Strahllänge des Gegendrallstrahls etwa das 1,7-Fache des Muldenradius beträgt.

5.Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere bei großem Hubvolumen zwei in bezug auf die Mulde (2) diametral gegenüberliegende Einspritzdüsen (7) mit je zwei Einspritzstrahlen (8b, 9b) vorgesehen sind, die mit einer höchstens etwa dem Muldenradius entsprechenden freien Strahllänge und jeweils unter Einschluß eines stumpfen Winkels nach vier entlang dem Muldenumfang verteilten Auftreffstellen (8'b, 9'b) gerichtet sind.

6. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der obere Muldenteil (Seitenwand 3) kegelförmig ausgebildet ist.

7. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mulde (2) oberhalb ihres Bodens unter Bildung eines Absatzes (5) auf einen kleineren Durchmesser ihres Bödenbereichs (*») abgesetzt ist.

8. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fremdzündquelle (Zündkerze oder Glühkerze) im Bereich der Strahlspitze des bzw. eines Gegendralletrahles (8 bzw. 8a, 8b) angeordnet ist.

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