DE3003411A1

DE3003411A1 - Einspritz- und gemischbildungsverfahren sowie einrichtung zur durchfuehrung desselben

Info

Publication number: DE3003411A1
Application number: DE19803003411
Authority: DE
Inventors: Ing.(grad.) Werner Steimer; Emmerling Dr.-Ing. 8500 Nürnberg Wolfram; Hans-Jürgen Dipl.-Ing. 8501 Ammerndorf Zürner
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 1980-01-31
Filing date: 1980-01-31
Publication date: 1981-08-20
Also published as: SE8100742L; IN154033B; SU990085A3; US4401071A; JPS56121820A; FR2475141B1; CH651892A5; TR20893A; HU183290B; AR228446A1; GB2068460A; SE454719B; DE3003411C2; IT1135158B; JPH0143134B2; DD156014A1; BR8100650A; IT8119297A0; FR2475141A1; GB2068460B

Description

f o/kr

Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg Aktiengesellschaft

Nürnberg, 29. Jan. 1980

Einspritz- und Gemischbildungsverfahren sowie Einrichtung zur Durchführung desselben

Die Erfindung betrifft ein Einspritz- und Gemischbildungsverfahren sowie die Einrichtung zur Durchführung desselben für luftverdichtende Brennkraftmaschinen, welche im Kolbenboden einen rotationssymmetrischen Brennraum aufweisen, in dem die einzubringende Verbrennungsluft in Rotation um die Brennraumlängsachse versetzt und der Kraftstoff durch eine im Bereich des Brennraumrandes im Zylinderkopf angeordnete Kraftstoff-Einspritzdüse schräg zur Brennraumlängsachse und im wesentlichen in Richtung der rotierenden Verbrennungsluft eingespritzt wird.

Bei luftverdichtenden, direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen wurden im Laufe der Jahre eine Reihe von Einspritz- und Gemischbildungsverfahren sowie die entsprechenden Einrichtungen entwickelt, die jedoch alle mehr oder weniger Vor- und Nachteile hatten. Viele dieser Verfahren sind auf Grund zu großer Nachteile schon nach kurzer Zeit wieder aufgegeben worden, so daß für die heutige Fachwelt nur noch einige klassische Einspritzverfahren als richtungsweisend angesehen werden.

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Bei einer dieser Anordnungen wird beispielsweise der Kraftstoff durch eine zentral oder nahezu zentral zur Brennraumöffnung angeordnete Einspritzdüse in Form von mehreren bzw. wenigstens drei Strahlen radial nach außen in die im Brennraum befindliche Verbrennungsluft eingespritzt. Dieser Verbrennungsluft wird beim Eintritt keine oder nahezu keine gerichtete Drallströmung verliehen, lediglich durch die Quetschwirkung, hauptsächlich bei eingeschnürten oder sogar omegaförmigen Brennräumen entsteht eine Wirbelbildung. Die Mehrstrahl-Einspritzung in diese Quetschwirbel führt zu einer mehr oder weniger guten Gemischaufbereitung und damit Verbrennung bei ungeordneten Strömungsverhältnissen. Als weiterer Nachteil muß gewertet werden, daß nach der Initialzündung eine schlagartige, harte und laute Verbrennung einsetzt, da viele Kraftstofftröpfchen auf Grund der kurzen Verweilzeit an der verdichteten Luft noch nicht genügend aufgeheizt bzw. verdampft sind. Im allgemeinen werden bei derartigen Brennkraftmaschinen bei Vollast Drücke d von β bis 8 bar pro ⁰KW gemessen. Im Teillastbereich ist das Verhältnis d /dal sogar noch größer oder wenigstens gleich 8 bar /⁰KW, was zu dem bekannten Dieselnageln führt.

Die Maschinen weisen nur eine mittlere Belastbarkeit an der Rauchgrenze auf, der Kraftstoffverbrauch ist mäßig gut, da relativ hohe Strömungsverluste auftreten und die Kraftstoffaufbereitung nicht optimal ist'. Bei kleinen Lasten und/oder Drehzahlen sowie beim Starten trifft auf Grund der kurzen Strahllängen der Kraftstoff meist nahezu senkrecht auf die Brennraumwand auf, wodurch sich unangenehm riechende und die Augen reizende, sichtbare Gase bilden. Es tritt eine hohe Emission an unverbrannten Kohlenwasserstoffen auf (CH-PS 175

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Bei einem weiteren bekannten Einspritzverfahren wird der Verbrennungsluft beim Einströmen in den Brennraum eine vergleichsweise mäßige Drehbewegung um die Brennraumlängsachse erteilt. Die Kraftstoffeinspritzung erfolgt ebenfalls durch mehrere Strahlen, die quer zur Luftbewegung aus einer mittig zum Brennraum angeordneten Einspritzdüse radial nach außen verlaufen.Der Brennraum ist meist flach ausgebildet und weist am Brennraumrand kaum eine Einschnürung auf.

Nach der Initialzündung erfolgt bei einem solchen Motor ebenfalls eine schlagartige, harte und laute Verbrennung, da auch hier zum Zündzeitpunkt bereits eine zu große Menge zündfähigen Gemisches im Brennraum vorhanden ist. Im allgemeinen rechnet man wie bei dem erstbeschriebenen Verfahren mit

^dp = β bis 8 bar/°KW im Vollastbereich und ά-χ

^dp > 8 bar/°KW bei Teillast,

so daß das Dieselnageln wiederum nicht beseitigt wird. Die Belastbarkeit an der Rauchgrenze ist allerdings verhältnismäßig gut, da eine intensivere, gerichtete Durchmischung von Kraftstoff und Verbrennungsluft möglich wird. Als ebenfalls gut kann die Kraftstoffausnutzung und der Kraftstoffverbrauch bezeichnet werden, da zur Erzeugung des Luftdralls und durch die geringen Quetschströrnungsverluste am Brennraumrand insgesamt nur geringe Strömungsverluste auftreten. Auch die Wärmeübergangsverluste an der Brennraumwand sind durch den vergleichsweise geringen Luftdrall als niedrig zu bezeichnen. Während des Betriebes im unteren Drehzahl- und/oder_ Lastbereich sowie beim Starten treten allerdings die gleichen Nachteile wie beim vorher beschriebenen Verfahren auf.

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Bekannt ist außerdem durch die DE-PS 964 647 oder durch die DE-PS 969 826 eine Brennkraftmaschine, die im Kolbenboden einen rotationskorperförmigen Brennraum mit einem eingeschnürten Hals aufweist, in den durch eine seitlich am Brennraumrand angeordnete Einspritzdüse der Kraftstoff schräg eingespritzt wird. Eine gerichtete Luftströmung ist wiederum nicht vorgesehen, zur Vermischung des Kraftstoffes mit der Verbrennungsluft werden die Quetschströmungen und die Zerstäubung durch die Einspritzdüse herangezogen, daher treten auch die gleichen Nachteile wie vorbeschrieben auf.

Schließlich gehört zu den generell zu unterscheidenden Einspritz- und Gemischbildungsverfahren das Verfahren der Kraftstoff-Wandauftragung (DE-PS 865 683). Bei ihm findet vorwiegend ein kugelförmiger Brennraum mit einem eingeschnürten Brennraumrand Anwendung und der Kraftstoff wird durch eine außermittig zum Brennraum angeordnete Einspritzdüse mit einem oder mehreren Strahlen auf die Brennraumwand aufgetragen, wo er sich durch die kinetische Energie und durch den im Brennraum herrschenden Luftdrall als dünner Film ausbreitet. Insbesondere durch die heiße Brennraumwand wird er verdampft und dann intensiv mit der Verbrennungsluft vermischt.

Nach Initialzündung durch fortwährendes Abdampfen weiteren Kraftstoffes erfolgt eine weiche und leise Verbrennung, was allein schon daraus hervorgeht, daß sich ein Wert für d /ds, = 3 bis 4 bar/° KW bei Volllast ergibt. Bei Teillastbetrieb liegt dieser Wert noch niedriger, so daß ein Nageln nicht mehr auftreten kann.

Durch die intensive Gemischbildung ist eine gute Belastbarkeit an der Rauchgrenze und eine gute Kraftstoffausnutzung möglich, jedoch müssen durch den hohen Luft-

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drall (50 % höher als bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen) und durch die Quetschwirbel am Brennraumrand höhere Strömungsverluste in Kauf genommen werden. Auf Grund des hohen Luftdralls treten außerdem noch hohe Wärmeverluste an die Brennraumwand, insbesondere im Bereich des eingeschnürten Randes auf, wodurch dieser und auch der Zylinderkopf thermisch stark beansprucht werden.

Im unteren Last- und/oder Drehzahlbereich sowie beim Starten, wo die Brennraumwand noch kalt bzw. relativ kalt ist, kann der auf die Wand aufgebrachte Kraftstoff nur unzureichend abgedampft werden, was eine unvollständige Verbrennung unter Bildung von unangenehm riechenden Abgasen und Emission an unverbrannten Kohlenwasserstoffen mit sich bringt. Auch durch die Wahl eines längeren, freien Kraftstoffstrahles, wie es durch die DB-PS 20 38 O48 vorgeschlagen wurde, konnten diese Nachteile nicht vollständig beseitigt werden=

Hier setzt nun die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, ein Verfahren und die dazu erforderliche Anordnung anzugeben, durch das bzw. durch welche die den einzelnen bekannten Verfahren anhaftenden Nachteile weitgehend vermieden und die jeweiligen Vorteile in sich zusammengefaßt werden. Der neue Motor soll also sowohl im kalten als auch im warmen Zustand einen weichen, ruhigen Lauf, eine geringe Abgastrübung, eine gute Belastbarkeit an der Rauchgrenze und eine gute Kraftstoffausnutzung aufweisen.

Nach der Erfindung wird die Aufgabe verfahrensmäßig dadurch gelöst, daß durch entsprechende Ausbildung des Spritzloches bzw. der Spritzlöcher an der Kraftstoff-Einspritzdüse und durch Erzeugen eines ausreichenden

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Druckes am Spritzloch bzw. an den Spritzlöchern die einzelnen Kraftstofftröpfchen des austretenden Strahles bzw. der Strahlen in allen Drehzahl- und/oder Lastbereichen des Motors fein zerstäubt werden, daß der Gesamt-Kraftstoffstrahl nach Eintreten in den Brennraum derart aufgerissen wird, daß er sich von der Brennraumwand bis zu etwa einem Drittel des Brennraumradius der Brennraumgeometrie anpaßt, und daß die Einspritzung des Kraftstoffes unter Anpassung an die Geschwindigkeit und/oder Dichteverteilung der im Brennraum rotierenden Verbrennungsluft erfolgt.

Es wird also bereits beim Austritt des Kraftstoffes aus der Kraftstoff-Einspritzdüse durch entsprechende Ausbildung des Spritzloches bzw. der Spritzlöcher, sofort Wert darauf gelegt, daß der oder die Kraftstoffstrahlen aus-möglichst fein zerstäubten Tröpfchen bestehen, was zu einem großen Teil in allen Drehzahl- und/oder Lastbereichen des Motors nur dadurch möglich wird, daß der Druck am Spri-tzloch bzw. an den Spritz löchern immer möglichst konstant und relativ hoch gehalten wird. Mittel hierfür sind bekannt. Die feinen Tröpfchen werden so in Strahlform unter weitgehender Vermeidung einer Wandanlagerung leichter vom Luftdrall mitgenommen, auf eine ausreichende Verdampfungstemperatur gebracht und schließlich mit der Verbrennungsluft vermischt.

Das Aufreißen des Kraftstoffstrahles oder der Kraftstoffstrahlen sowie das Anpassen derselben an die Brennraumgeometrie bewirkt schließlich die intensive Vermischung und gleichmäßige Aufteilung auf die Verbrennungsluft, so daß nur die Mitte des Brennraumes zum Ausweichen von verbrannten Gasen vor dem Austritt aus dem Brennraum praktisch frei von Kraftstoff bleibt. Damit erreicht man bereits eine weitgehend geordnete Verbrennung, bei der das Gemisch von den Abgasen getrennt ist. Die Einspritzung

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-Tides Kraftstoffes unter Anpassung an die Geschwindigkeit und/oder Dichteverteilung der im Brennraum rotierenden Verbrennungsluft schließlich hat zur Folge, daß die Aufteilung des Kraftstoffes auf die Verbrennungsluft nahezu ideal erfolgt.

Durch das Verfahren der Kraftstoffaufbereitung mit zumindest teilweiser Verdampfung in der Verbrennungsluft vor der Vermischung mit dieser werden in allen Betriebsbereichen des Motors gute Betriebsdaten erreicht und es ist auch nicht mit Startschwierigkeiten zu rechnen. Der Wert d /dot = 3*5 ^Dis ^ bar /° KW, bei Vollast, was eine weich einsetzende und ablaufende Verbrennung bedeutet. Da sich dieser Wert auch im Teillastbereich nicht erhöht, tritt ein· Dieselnageln nicht auf. Schließlich muß auch noch der gute Kraftstoffverbrauch durch den gesteuerten Verbrennungsablauf und wenig Strömungs- bzw. Wärmeverluste erwähnt werden.

In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, daß der Kraftstoff in einen flachen, napfartigen Brennraum derart eingebracht wird, daß das Zentrum des aufgerissenen KraftstoffStrahles bzw. HauptkraftstoffStrahles in Draufsicht auf den- Brennraum gesehen eine Tangente zu einem Kreis bildet, dessen Durchmesser das 0,6- bis 0,7-fache des Brennraumdurchmessers beträgt, und daß er in seiner Projektion gesehen in einem Winkel von 4o° bis 50°, bei Verwendung von Zweiloch-Einspritzdüsen maximal 35° bis 50° schräg zur Brennraumlängsachse verläuft.

Durch die Wahl eines flachen, napfartigen Brennraumes ohne nennenswerte Einschnürung ist die Durchführung des Verfahrens am günstigsten, die Quetschwirbel und daher die Strömungsverluste sind gering und der Brennraum·

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wird thermisch nicht überbeansprucht, d.h. nicht überhitzt. :.

Die freie Länge des vom Luftdrall mitgenommenen Hauptkraftstoffstrahles wird zweckmäßigerweise größer oder höchstens gleich dem 0,8-fachen Brennraumdurchmesser gewählt, wodurch die Verbrennung sehr kontinuierlich verLauft und der Gesamt-Strahlkegelwinkel des KraftstoffstrahLes soll zwischen 35° und 45° liegen.

Schließlich wird als Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens noch vorgeschlagen, daß bei voll geöffnetem Einlaßventil und einer mittleren axialen Kolbengeschwindigkeit von 10 m/sec die Drehfrequenz der Verbrennungsluft im Zylinder - bezogen auf den Meßdurchmesser (0,7-facher Kolbendurchmesser) - 130 bis 155 Hz und bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen |40 bi^s ^-^5 Hz beträgt.

Als Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, daß das Verhältnis des Brennraumdurchmessers zum Kolbendurchmesser zwischen 0,44 und 0,5 liegt, daß das Verhältnis der Brennraumtiefe zum Brennraumdurchmesser 0,55 bis 0,6> beträgt, und daß der Brennraumdurchmesser zum im wesentlichen ebenen Brennraumboden hin insofern auf einen maximalen Durchmesser vergrößert wird, indem die Brennraumwand unter einem Winkel von 4 ^{1S %ur} Brennraumlängsachse geneigt sich stetig erweiternd verläuft. Der Übergang von der Brennraumwand zum Brennraumboden wird dabei zweckmäßigerweise durch eine Rundung gebildet, deren Radius zum Brennraumdurchmescer In einem Verhältnis von 0,2 bis 0,25 steht.

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Derartige Brennräume, so hat sich herausgestellt, eignen sich für die räumliche Ausbreitung des Kraftstoffes in der beschriebenen Art sehr gut, obwohl auch andere Brennraumformen verwendet werden können. Die Anzahl der Spritzlöcher in der Kraftstoff-Einspritzdüse hängt natürlich stark von der Brennraumform und -Größe ab, es soll sich daher nicht auf eine bestimmte Anzahl festgelegt werden. Kommt beispielsweise eine Einloch-Einspritzdüse zur Anwendung, mit der der nötige Spritzdruck und die nötige Strahlaufreißung bzw. -Zerstäubung möglich ist, so wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß das Verhältnis des Spritzlochdurchmessers zur Spritzlochlänge zwischen 0,55 und 0,75 liegt. Ist es auf Grund der Brennraumform oder aus anderen Gesichtspunkten heraus angebracht, eine Zweioder Mehrlochdüse zu verwenden, so erscheint es zweckmäßig, die Spritzlochquerschnitte derart auszubilden, daß ein Hauptkraftstoffstrahl und ein oder mehrere Nebenstrahlen entstehen, die in einem Verhältnis zwischen 4:1 und 2:1 stehen, wobei etwa 5° bis 10° des Gesamt-Aufreißwinkels von 35° bis 45° durch den oder die Nebenstrahlen gebildet werden.

Einzelheiten der Erfindung können der nachfolgenden Beschreibung zweier in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele entnommen werden. Es zeigen:

Fig. I ein Diagramm über den im Brennraum einer Brennkraftmaschine herrschenden Geschwindigkeitsverlauf der rotierenden Verbrennungsluft, bezogen auf den Radius des Brennraumes,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen halben Brennraum, wie er in vorliegendem Falle Anwendung finden kann, in dem die Dichteverteilung des in die Verbrennungsluft eingespritzten Kraftstoffes

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angedeutet ist, wenn ein Hauptkraftstoffstrahl eine bestimmte freie Länge aufweist,

Pig.2a einen Längsschnitt wie in Fig. 3, bei dem der Brennraum einen größeren Durchmesser aufweist und der Kraftstoff durch zwei Strahlen eingespritzt wird,

Fig. j5 einen Längsschnitt durch den oberen Teil eines Kolbens mit einem Brennraum nach der Erfindung und einer Kraftstoffeinspritzung durch nur ein Spritzloch,

Fig. 4 eine Draufsicht auf den Kolben nach Fig. 3>>

Fig. 5 einen Längsschnitt durch den Kolben nach Fig. mit einer Kraftstoff-Einspritzung durch zwei Spritzlöcher,

Fig. 6 eine Draufsicht auf den Kolben nach Fig. 5,

Fig. 7 einen Längsschnitt durch den oberen Teil eines Kolbens mit einem Brennraum, wie er nach der Erfindung als Ideal vorgeschlagen wird.

In Fig. I stellt die Abszisse 1 den Brennraumradius r· dar, der vom Mittelpunkt χ (Brennraumlängsachse) bis zur Brennraumwand 2 reicht. Auf der Ordinate J ist die Umfangsgeschwindigkeit ν der im Brennraum rotierenden Verbrennungsluft aufgetragen. An der wohl übertrieben dargestellten Kurve 4 ist zu erkennen, daß diese Umfangsgeschwindigkeit unmittelbar an der Brennraumwand 2 durch die Reibung und, was wohl nicht näher zu erläutern ist, im Mittelpunkt χ des Brennraurnes gleich Null ir;t. Die größte Umfangsgeschwindigkeit ν _οΛΓ tritt in einem Ab-

ΓΠ&Λ

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stand r vom Mittelpunkt χ des Brennraumes auf, der etwa dem 0,6- bis 0,7-fachen Brennraumradius r„ entspricht. Die größte Dichte der rotierenden Verbrennungsluft tritt in ledern Falle zwischen ν und der Brennraumwand 2

max

auf, deshalb wird bei ν und im folgenden Bereich die eingespritzte Kraftstoffmenge ihren Maximalwert erreichen, was sich jedoch beinahe zwangsweise ergibt, weil der bei ν eingespritzte Kraftstoff in jedem Falle durch die Zentrifugalkraft leicht in Richtung zur Brennraumwand 2 hin gedrängt wird. Maßgebend bei dieser Art von Kraftstoff-Einspritzung ist jedoch, daß die Kraftstofftropfchen von Anfang an so fein zerstäubt werden, daß sie nicht an die Brennraumwand 2 gedrückt werden. Um dies zu erreichen, wird bei einer Einlochdüse das Verhältnis des Spritzlochdurchmessers zur Spritzlochlänge zwischen 0,55 und 0,75 gewählt und darauf geachtet, daß der Druck am Spritzloch in allen Betriebsbereichen des Motors nahezu konstant und ausreichend hoch ist.

In dem halben Brennraum gemäß Fig. 2 ist angedeutet, wie sich der eingespritzte Kraftstoff 5 durch die feine Zerstäubung und das Aufreißen eines einzigen Kraftstoffstrahles schließlich während der Gemischbildung verteilt. Um den Mittelpunkt bzw. die Brennraumlängsachse χ des Brennraumes 6 herum bildet sich eine Zone 6a, die praktisch nur Verbrennungsluft bzw. nach der Verbrennung Abgase enthält. Diese Zone 6a wird von einem Kreis mit dem Radius r begrenzt, der etwa ein Drittel des Brennraumradius r_ß beträgt. In den Rest 6b des Brennraumes 6 verteilen sich die Kraftstofftröpfchen 5 und passen sich der Brennraumgeometrie voll an. Eine Ausnahme bildet der Bereich, der in einem Abstand r von der Brennraumlängsachse χ

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des Brennraumes 6 liegt. Dort herrscht die größte Umfangsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft und anschließend, zur Brennraumwand 2 hin auch die größte Dichte, In diesem Bereich wird natürlich mehr Kraftstoff eingespritzt. Es wird daher die gezeigte Kraftstoffverteilung entstehen.

Wird der Kraftstoff in einen flachen Brennraum oder in einen Brennraum 6 mit einem relativ großen Brennraumradius r„ eingespritzt, so werden zweclcmäßigerweise ein Hauptkraftstoffstrahl und ein oder mehrere Nebenstrahlen vorgesehen, wie Fig. 2a zeigt. Ansonsten herrscht die gleiche Gemischbildung wie bei Fig. 2.

In den Fig. 3 und 4 ist angedeutet, wie die Kraftstoff-Einspritzung in den im Kolben 7 vorgesehenen Brennraum mit nur einem Kraftstoffstrahl erfolgt. Der Luftdrall ist durch einen Pfeil 8 gekennzeichnet. Die Richtung des Kraftstoffstrahles bzw. dessen Zentrum ist mit 9 bezeichnet, das Zerstäuben des Kraftstoffstrahles 9 gemäß Fig. 2 soll lediglich durch die strichliert dargestellten Linien 9a angedeutet sein. Maßgebend ist, daß man erkennt, daß das Zentrum des KraftstoffStrahles 9 vom Spritzloch 10 aus nahezu bis zum Brennraumboden 11 dringt, bis es sich vollständig auflöst und daß es einen Kreis 12 tangiert, der das 0,6- bis 0,7-fache des Brennraumdurchmessers D_n beträgt. Zeichnet man das Zentrum des Kraftstoffstrahles 9 in einer Projektion aus der Richtung ζ in Fig. 4, so ergibt sich die in Fig. 3 dargestellte Linie 9b, die einen Winkel J" von 40° bis 50° zur Brennraumlängsachse χ geneigt verläuft. Die Länge dieser Projektion 9b beträgt mindestens das 0,8-fache des Brennraumdurchmessers D„. Schließlich ist noch der Gesamt-Strahlkege!winkel <X des Kraftstoff-

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Strahles 9 angedeutet, der zwischen 35 und 45 liegt.

In den Fig. 5 und 6 ist der gleiche Brennraum 6 wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt, lediglich die Kraftstoffeinspritzung erfolgt durch eine Einspritzdüse, die zwei Spritzlöcher 10, 10a aufweist, von denen das Spritzloch 10 den Hauptkraftstoffstrahl 13 und das Spritzloch 10a einen Nebenstrahl 14 erzeugt. Die Querschnitte der Spritzlöcher 10:10a stehen in einem Verhältnis von 4:1 bis 2:1, der Gesamt-Aufreißwinkeloc bleibt weiterhin zwischen 35° und 45°, wobei ca. 5 bis 10° davon durch den Nebenstrahl 14 gebildet werden. Zeichnet man hier das Zentrum des Hauptkraftstoffstrahles 13 und des Nebenstrahles I4 in einer Projektion aus der Richtung ζ in Fig. 6, so ergeben sich die in Fig. 5 dargestellten Linien 13b und l4b, wobei das Zentrum des HauptkraftstoffStrahles 13b in einem WinkelΛ; von 4o° bis 50° und das des Nebenstrahles 14b in einem Winkel Jo, zwischen 35° und 45° zur Brennraumlängsachse χ geneigt verläuft. Das Zentrum des Nebenstrahls 14, welches den Kreis 12 (0,6 bis 0,7 . D_n) nicht tangiert, ist natürlich wesentlich weniger durchschlagkräftig und braucht es auch nicht zu sein, weil in seinem Einspritzbereich bereits eine geringere Umfangsgeschwindigkeit und auch Dichte der Verbrennungsluft herrscht.

Fig. 7, die noch einmal einen Brennraum zeigt, soll vor allem zur übersichtlichen Kennzeichnung dienen, welche Abmessungen ein Brennraum nach der Erfindung aufzu-

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weisen hat. Dies scheint erforderlich, weil das Verfahren für einen solchen Brennraum besonders geeignet ist. Der Brennraum 6 befindet sich wieder im Boden des Kolbens 7 und ist Jm wesentlichen napfförmig ausgebildet. Das Verhältnis des Brennraumdurchmessers D_n zum Kolbendurchmesser D_v liegt zwischen 0,44 und 0,5, wobei mit D_ der Brennraumdurchmesser am Brennraumrand 15 gemeint ist. Die gesamte Brennraumtiefe T steht zum Brennraumdurchmesser D-, ebenfalls in einem bestimmten Verhältnis, und zwar soll dieses zwischen 0 55 und Q,6'j> liegen. Der Brennraumboden 11 ist überwiegend waagrecht ausgebildet. Die Brennraumwand 2 ist derart zur Brennraumlängsachse χ geneigt, daß sie sich vom Brennraumdurchmesser D_R aus in Richtung zum Brennraumboden Il hin mit einem Winkel^ von 4 bis 7° stetig erweitert, so daß der größte Brennraumdurchmesser D eigentlich in der Nähe des Brennraumbodens 11 liegt. Schließlich wäre noch zu erwähnen, daß der Übergang von der Brennraumwand 2 zum Brennraumboden 11 durch eine Rundung gebildet wird, deren Radius R zum Brennraumdurchmesser D_ß in einem Verhältnis von 0,2 bis 0,25 steht.

Zusammenfassend sollen die einzelnen Abmessungsverhältnisse noch kurz in Formeln aufgezeigt werden:

V^DK =	0,44	bis	bis	0,	O	0,	5
T/D_B	0,55	bis	0,	63
■ψ	4° bis 7
R/D_B =	0,2	25

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Claims

3G03411

fo/kr

Maschinen!¹ abrik" "Augsburg-Nürnberg
Aktiengesellschaft ^l>

Nürnberg, 29. Jan. I98O

Patentansorüche

Einspritz- und Gemischbildungsverfahren für luftverdichtende Brennkraftmaschinen, welche im Kolbenboden einen rotationssymmetrischen Brennraum aufweisen, in dem die einzubringende Verbrennungsluft in Rotation um die Brennraumlängsachse versetzt und der Kraftstoff durch eine im Bereich des Brennraumrandes im Zylinderkopf angeordnete Kraftstoff-Einspritzdüse schräg zur Brennraumlängsachse und im wesentlichen in Richtung der rotierenden Verbrennungsluft eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß durch entsprechende Ausbildung des Spritzloches (10) bzw. der Spritzlöcher (10, 10a) an der Kraftstoff-Einspritzdüse und durch Erzeugen eines ausreichenden Druckes am Spritzloch (10) bzw. an den Spritzlöchern (10, 10a) die einzelnen Kraftstofftropfchen des austretenden Strahles (9) bzw. der Strahlen (I3, 14) in allen Drehzahl- und/oder Lastbereichen des Motors fein zerstäubt werden,

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daß der Gesamt-Kraftstoffstrahl (9; Ij5, 14) nacho Eintreten in den Brennraum (6) derart aufgerissen wird, daß er sich von der Brennraumwand (2) bis zu etwa einem Drittel des Brennraumradius (r ) der Brennraumgeometrie anpaßt, und daß die Einspritzung des Kraftstoffes unter Anpassung an die Geschwindigkeit (4) und/oder Dichteverteilung der im Brennraum (6) rotierenden Verbrennungsluft (8) erfolgt.

2. Einspritz- und Gemischbildungsverfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß-in einem Längsschnitt durch den Brennraum (6) gesehen - in einem bestimmten Zeitraum die gesamte Verbrennungsluft bis zu etwa einem Drittel des Brennraumradius (r ) vom Brennraumboden (11) bis zum Brennraumrand (15) mit Kraftstoff angereichert wird.

j5. Einspritz- und Gemischbildungsverfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff in einen flachen, napfartigen Brennraum (6) derart eingebracht wird, daß das Zentrum (9, I3) des aufgerissenen Kraftstoffstrahles (9) bzw. Hauptkraftstoff Strahles (13) in Draufsicht auf den Brennraum gesehen eine Tangente zu einem Kreis (12) bildet, dessen Durchmesser (2.r ) das 0,6- bis 0,7-fache des Brennraumdurchmessers (D_B) beträgt, und daß er in seiner Projektion gesehen in einem Winkel (^ ) von 4ü° bis 50°, bei Verwendung von Zweiloch-Einspritzdüsen maximal 55° bis 50° schräg zur Brennraumlängsachse (x) verläuft.

4. Einspritz- und Gemischbildungsverfahren nach den Ansprüchen I bis J5, dadurch gekennzeichnet, daß die freie Länge des vom Luftdrall (8) mitgenommenen Haupt-Kraftstoffstrahles (9, IjJ) größer oder höchstens gleich dem 0,8-fachen Brennraumdurchmesser (D ) entspricht.

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5. Einspritz- und Gemischbildungsverfahren nach den Ansprüchen I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamt-Stranlkegelwinkel (oC) des Kraftstoffes zwischen 35° und 45° liegt.

6. Einspritz- und Gemischbildungsverfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß bei voll geöffnetem Einlaßventil und einer mittleren axialen Kolbengeschwindigkeit von 10 m/sec die Drehfrequenz der Verbrennungsluft im Zylinder - bezogen auf den Meßdurchmesser (0,7-facher Kolbendurchmesser D_K)-

130 bis 155 Hz beträgt.

7. Einspritz- und Gemischbildungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei voll geöffnetem Einlaßventil und einer mittleren axialen Kolbengeschwindigkeit von 10 m/sec die Drehfrequenz der Verbrennungsluft im Zylinder - bezogen auf den Meßdurchmesser (0,7-facher Kolbendurchmesser D,,) - bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen l4 0bis 165 Hz beträgt.

8. Einrichtung zum Durchführen des Einspritz- und Gemischbildungsverfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Brennraumdurchmessers (D₁-.) zum Kolbendurchmesser (D ) zwischen 0,44 und 0,5 liegt, daß das Verhältnis der Brennraumtiefe (T) zum Brennraumdurchmesser (D„) 0,55 bis 0,63 beträgt, und daß der Brennraumdurchmesser (D_R) zum im wesentlichen ebenen Brennraumboden (11) hin insofern auf einen maximalen Durchmesser (D) vergrößert wird, indem die Brennraumwand (2) unter einem Winkel (^y-') von 4° bis 7° zur Brennraumlängsachse (x) geneigt sich stetig erweiternd verläuft,

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9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang von der Brennraumwand (2) zum Brennraumboden (II) durch eine Rundung gebildet wird, deren Radius (R) zum Brennraumdurchmesser (D„) in einem Verhältnis von 0,2 bis 0,25 steht (R/D_ß =0,2 bis 0,25).

10. Einrichtung nach den Ansprüchen 8 und 9» wobei als Kraftstoff-Einspritzdüse eine Einlochdüse zur Anwendung kommt, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Spritzlochdurchmessers zur Spritzlochlänge zwischen 0,55 und 0,75 liegt.

11. Einrichtung nach den Ansprüchen 8 und 9* wobei als Kraftstoff-Einspritzdüse eine Zwei- oder Mehrlochdüse Anwendung findet, dadurch gekennzeichnet, daß die Spritzlochquerschnitte zur Bildung eines Hauptkraftstoff Strahles (13) und eines oder mehrerer Nebenstrahlen (lA) in einem Verhältnis zwischen 4:1 und 2:1 vorgesehen sind, und daß etwa 5° bis 10° des Gesarnt-Strahl

kegelwinkels (et ) von 35° bis 45° durch die Nebenstrahlen (14) gebildet werden.

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