DE865683C

DE865683C - Einspritzverfahren fuer einen schnell laufenden Dieselmotor mit im Kolben liegendem rotationskoerperfoermigem Verbrennungsraum

Info

Publication number: DE865683C
Application number: DEK12505A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1951-12-18
Filing date: 1951-12-18
Publication date: 1953-02-05

Description

Einspritzverfahren für einen schnell laufenden Dieselmotor mit im Kolben liegendem rotationskörperförmigem Verbrennungsraum Die Erfindung betrifft ein Einspritzverfahren für. einen schnell laufenden Dieselmotor mit im Kolben liegendem rotationskörperförmigem Verbrennungsraum und schräg außerhalb der Mitte im Zylinderdeckel angeordneter Düse.
Man war bisher bestrebt, im Brennraum von Hohlkolbendieselmotoren einen fein verteilten Kraftstoffnebel zu erzeugen und am Ende des Verdichtungshubes durch den sich mehr und mehr verengenden, zwischen Zylinderkopf und dem Umfang derKugelöffnung liegenden waagerechtenRingspalt der Luft eine solche Strömung zu erteilen, damit diese von allen Seiten mit großer Geschwindigkeit auf den fein verteilten Kraftstoffnebel einwirke, um so eine möglichst schnelle Gemischbildung zu erreichen. Die schnelle und unmittelbare Mischung des Kraftstoffes mit der Luft bewirkt eine außerordentlich schnelle anfängliche Reaktion des Kraftstoffes, welche mit dem typisch harten Dieselschlag verbunden ist, nicht aber eine gleichmäßige Brenngeschwindigkeit unter Vermeidung von Nachbrennerscheinungen. Zwar erreicht man dabei guten Brennstoffverbrauch, doch muß man einen außerordentlich harten Gang des Motors in Kauf nehmen. Mit den sogenannten Kammermotoren (Vorkammer, Wirbelkammer) erreichte man höhere Mitteldrücke und einen wesentlich ruhigeren Verbrennungsablauf, doch war dies bei diesen Motoren nur unter Inkaufnahme eines größeren spezifischen Kraftstoffverbrauches möglich. Es schien bisher nicht erreichbar zu sein, einen ruhigen Gang des Motors mit dem Brennstoffverbrauch der hart laufenden Direkteinspritzmotoren zu vereinigen.
Einen gewissen Fortschritt brachten diejenigen Verfahren mit direkter Einspritzung, bei denen zur Vermischung des Kraftstoffes eine Luftbewegung zu Hilfe genommen wurde, welche während des Ansaughubes in Form eines sich um die Zylinderachse drehenden Wirbels eingeleitet wurde. Die Brennstoffstrahlen, die beispielsweise von der mittig liegenden Düse radial nach außen in den Brennraum gelangten, standen dabei senkrecht zu der Luftbewegung mit dem Ziel, daß durch diese Lage der Kraftstoffstrahlen zur Luftbewegung und zur Brennraumform eine sehr gute Verteilung und Auflösung des Kraftstoffes entstehen werde. Das trat auch ein, und man erhielt Motoren, die höhere Mitteldrücke bei geringerer Abgastrübung gaben, aber doch noch wesentlich härter liefen als beispielsweise Vorkammermotoren. Auch bei dieser Strahllage konnte eine Vereinigung von Gangruhe, geringem Kraftstoffverbrauch und hohem Mitteldruck nicht erzielt werden. Bei der Entwicklung des Verfahrens gemäß der Erfindung war von dem Bestreben ausgegangen worden, diese allem Anschein nach widersetzlichen Vorteile zugleich zu verwirklichen, und hierbei wurden Erkenntnisse verwertet, die sich aus einer Reihe von Versuchen ergaben. Es ergab sich, daß im Unterschied zu den bisherigen Auffassungen die schnelle und unmittelbare Mischung des Kraftstoffes mit der Luft nicht zum Ziele führt, sondern daß sich die Vereinigung der genannten Vorteile nur im Beschreiten- eines neuen Weges verwirklichen lasse.
Gemäß der Erfindung besteht das neueVerfahren darin, daß der Brennstoff als dünner Film auf die Wandung des Brennraumes aufgebracht und zugleich der einströmenden Luft eine solche Drehbewegung erteilt wird, daß hierdurch der Kraftstoff in Dampfform. von der Wandung allmählich abgelöst, vermischt und verbrannt wird. Nach einem weiteren Merkmal des Verfahrens gemäß der Erfindung erfolgt eine fächerartige Einspritzung der Brennstoffstrahlen innerhalb einer außermittig des Brennraummittelpunktes nahe an der Brennraumwandung schräg oder doch nahezu schräg in der Richtung des Drehsinns der Luft gestellten planen oder gewölbten Ebene, und zugleich wird der Verbrennungsluft eine um die Zylinderachse herum gleichsinnig mit der Strömungsrichtung der Brennstoffstrahlen verlaufende Bewegung erteilt, wodurch eine sofortige Mischung des Kraftstoffes mit der Verbrennungsluft vermieden werden kann. Die Strahllage gemäß der Erfindung bezweckt im Unterschied zu der bisherigen Bestrebung, welche darauf abzielte, eine sofortige innige Vermischung des Kräftstoffes mit der Verbrennungsluft zu erzielen, das Aufbringen des Kraftstoffes auf die Brennraumwandung rückprallfrei zu erreichen, so daß er sich als dünner Film auf die Brennraumwandung verteilen kann. Dieser dünne Film, möglichst .großer Ausdehnung, wird durch die Luftströmung- von der Brennraumwandung abgelöst, und erst nachdem Ablösen erfolgt ein Vermischen des `in die Dampfform übergeführten Kraftstoffes mit der Luft und das Verbrennen des Gemisches. Die Merkmale des Verfahrens gemäß der Erfindung stellen somit die Bedingungen dar, welche einen ruhigen Motorlauf ermöglichen.
Der Luftbewegung kommt bei dem Verfahren -gemäß der Erfindung eine doppelte Bedeutung zu; sie muß eine genügend schnelle und wirksame Ablösung des Kraftstoffes und außerdem eine nachfolgende Vermischung des Kraftstoffes mit der Luft ergeben. Bisher wurde ja die Aufgabe der Zerstäubung des Kraftstoffes der Düse zugeteilt. DieLuftbewegung diente nur dazu, eine zusätzliche Vermischung des zerstäubten Kraftstoffes mit der Luft zu. erzielen.'Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird auf das Wirksamwerden der Zerstäubong durch die Düse verzichtet, und dies ist möglich, weil nur kurze Strahlwege bis zum Auftreffen des Kraftstoffes@auf die Brennraumwandung vorgesehen sind. Der durch die Düse gegebene Gemischbildungsfaktor fällt somit fort und muß durch die entsprechend wirksam gestaltete Luftbewegung ersetzt werden, damit die Erscheinungen der Abgastrübung und des Nachbrennens vermieden werden. Deshalb werden inVerbindung mit dem @% erfahren gemäß der Erfindung und zu dessen Durchführung möglichst wirkungsvolleMaßnahmen zum Erzeugen der Drehung der Luft während ihres Eintritts in den Zylinder vorgesehen. So wird gemäß der Erfindung zum Erzeugen der Drehbewegung der Luftladung im Zylinder ein in Gestalt einer Spirale -auf das Einlaßventil zulaufender Einlaßkanal vorgesehen. Weitere wichtige Merkmale, die bei einem Dieselmotor mit rotationskörperförmigem Verbrennungsraum und schräg außerhalb der Mitte im Zylinderdeckel angeordneter Düse zur Durchführung des oben gekennzeichneten Verfahrens vorgesehen sind, sind die folgenden: Das außermittig angeordnete Einlaßventil weist in bezug auf die Zylinderachse eine Schräglage auf, und der Hub des Einlaßventils ist über das Maß des zur Eröffnung des vollen Ventildurchflußquerschnittes erforderlichen Hubes hinaus erhöhbar; der Brennraum ist kugelig oder leicht flachgedrückt ausgeführt, und die Austrittsöffnung der Kugel ist nach dem Zylinderraum hin durch einen Zylinder gebildet, dessen Querschnitt etwa 651[o des größten Brennraumquerschnittes beträgt und dessen Höhe mit 15 bis 30% des Brennraumradius in der Kolbenachsrichtung bemessen ist;*die Strahlwurzel, d. h. die Stelle, an der der Strahl die Düsenbohrung verläßt, liegt etwa a bis .4 mm tiefer als der obere Rand des zylindrischen Teiles des Bremsraumes; allenfalls können der Kolbenboden, der Zylinderkopf und die Ventile mit je voneinander verschiedenem Radius gewölbt ausgebildet sein, damit die in Drehbewegung befindliche Luft möglichst geringe Strömungsverluste erleidet; so können beispielsweise auch bei einem gewölbten Zylinderkopf die Ventile in Taschen angeordnet und die Ventilteller so kugelig ausgedreht sein, daß sie mit der Wölbung des Zy linderkopfes bündig sind. Die angegebenen Kennzeichen stellen diejenigen Bedingungen dar, unter denen der erstrebte Zweck, nämlich die Vereinigung von Gangruhe. geringem Kraftstoffverbrauch und hohem Mitteldruck, bei einem schnell laufenden Dieselmotor zu erzielen ist. Der kugelig nach oben angezogene Brennraum bildet gewissermaßen eine Umlenkschaufel, durch welche ein Rückprallen des Kraftstoffes von der Wand vermieden wird. Der Auftreffwinkel der Strahlen wird so flach wie möglich gewählt. Dadurch wird erreicht, daß die Strahlen gewissermaßen tangential auf die Wand aufgespritzt werden. Um die Auftrefffläche zu vergrößern, ist es zweckmäßig, mehrere Brennstoffstrahlen austreten zu lassen, von denen jeder eine bestimmte Kugelzone so benetzen soll, daß die Benetzungsflächen ineinander nicht übergehen. Die Verwendung mehrerer Brennstoffstrahlen und der spitz gewählte Auftreffwinkel bewirken, daß die Kraftstoffstrahlen schon nach einer kurzen Strecke zur Wandberührung kommen. Während dieser kurzen Strecke bleibt der Strahl genügend geschlossen, wodurch eine sofortige Vermischung mit der Luft vermieden wird.
Das bisherige Bestreben, durch die Brennstoffstrahlen ein möglichst großes Volumen des Brennraumes zu erfassen, wird bei dem Gegenstand der Erfindung nicht mehr verfolgt.
Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dar.
Fig. i zeigt einen Längsschnitt durch die Achse des Brennraumes mit Blick auf die schräg nach hinten stehende Düse, die mit drei Strahlen einspritzt; Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf den Brennraum, wobei entsprechend der Schnittebene, angedeutet durch die Linie A-B der Fig. i ein Teil des Kolbenbodens herausgeschnitten ist und die Lage des zweiten und dritten Kraftstoffstrahles erkennen läßt; Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch den Brennraum entsprechend der Schnittebene, angedeutet durch die Linie C-D in Fig. 2 ; Fig. ¢ zeigt die Draufsicht auf den Zylinderkopf mit spiralförmigem Einlaßkanal und den gerade ausgebildeten Auslaßkanal.
In der Fig. i enthält der gewölbt ausgeführte Kolbenboden i den kugeligenVerbrennungsraum2. Die Austrittsöffnung der Kugel nach dem Zylinderraum hin wird-, durch einen kurzen Zylinder 3 gebildet. Die Düse d ist im Zylinderkopf schräg liegend angeordnet.
In Fig. i treffen die Brennstoffstrahlen 6, 7 und 8 an den Stellen 11, 12, 13 auf die Brennraumwandung auf, so daß sich die Filme 14., 15, 16 auf der Brennraumwandung ausbilden. In Fig.2 ist der Schnitt <d-B durch den Brennstoffstrahl? gelegt. Das flache Auftreffen des Strahles 7 und die Ausbildung des Films 15 bzw. des Films 16, herrührend von dem Brennstoffstrah18, ist hier gut erkennbar. Die Luftbewegung erfolgt hierbei im Drehsinn 17. Die Fig. 3 macht deutlich, was unter der planen bzw. sphärischen Ebene E gemeint ist. Der in Fig. 3 dargestellte Schnitt zeigt die Gerade 18, welche die Verbindungslinie zwischen den drei Strahlen darstellt und hier andeuten soll, daß es sich um eine Planstrahlebene handelt. Würde die Strahlebene gewölbt, d. h. sphärisch ausgebildet sein, so würde diese Verbindungslinie 18 eine bogenförmige Gestalt haben.
Die Fig. q. zeigt eine Draufsicht auf die Einlaßkanalanordnunb bei einem Viertaktmotor. Der Einlaßkanal ic) ist unsymmetrisch zum Ventilschaft 2o angeordnet. Seine äußere Begrenzung 2i ist nach einer Spirale geformt. Durch diese Kanalform erhält die dem Ventil 22 zuströmende Brennluft eine Drehbewegung, welche sich nach Durchtritt der Luft durch das Ventil 22 in den Zylinder hinein fortsetzt. Das Auslaßventil23 ist geradeverlaufend ausgebildet. Die Drehenergie der Luft kann verändert werden durch Änderung des einer bestimmten Kurbelwinkelstellung entsprechenden Hubes des Ventilkörpers 22. Eine solche Änderung des Ventilhubes kann durch bekannte Mittel erreicht werden, z. B. durch Lagerung des Ventilhebels auf einem Exzenter.
Bei dem Gegenstand der Erfindung wird auf die sofortige Verteilung des Kraftstoffes auf die Verbrennungsluft bewußt verzichtet, daher ist es nicht notwendig, zwischen der im Brennraum vorhandenen Luftbewegung und den Strahlen eine bestimmte Zuordnung vorzusehen. Nötig ist es mir, für eine geordnete Luftbewegung zu sorgen, die den Kraftstoff von der Auftreffstelle an der Brennraurnwandung wieder ablöst. Diese Luftbewegung wird durch zwei Maßnahmen hervorgerufen: durch die genannte Drehung der Verbrennungsluft um die Zylinderachse während des Ansaughubes und dadurch, daß der kugelförmige Brennraum nach oben hin eingezogen ist, so daß beim Einströmen der Luft in den Brennraum eine Turbulenzquelle entsteht.
Durch die vorteilhaft gleichsinnige Richtung der Kraftstoffstrahlen und der Luftbewegung wird zu der Energie der Kraftstoffstrahlen die Energie der Luftdrehung um die Zylinderachse hinzugefügt. Bei den bisher üblichen Strahllagen senkrecht zur Strömungsrichtung bildeten die Kraftstoffstrahlen gewissermaßen eine Bremsfläche für den Luftwirbel, weil ja beabsichtigt war, den Kraftstoff von der Luft zerreißen zu lassen. Bei der erfindungsgemäßen Strahlanordnung jedoch wird das Gegenteil hiervon beabsichtigt. Kraftstoffstrahl und Luft strömen, soweit sie sich im ersten Verteilungsabschnitt überhaupt vermischen, gleichsinnig. Sowohl Luft als auch der Kraftstoff erfahren dadurch so gut wie gar keine Verminderung ihrer Geschwindigkeit. ,

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i.
Einspritzverfahren für einen schnell laufenden Dieselmotor mit im Kolben liegendem rotationskörperförmigem Verbrennungsraum und schräg außerhalb der Mitte im Zylinderdeckel angeordneterDüse, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff als dünner Film auf die Wandung des Brennraumes - aufgebracht und zugleich der einströmenden Luft eine -solche Drehbewegung erteilt wird, daß hierdurch der Kraftstoff in Dampfform von der Wandung allmählich abgelöst, vermischt und verbrannt wird. z. Einspritzverfahren. nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß eine fächerartige Einspritzung der Brennstoffstrahlen innerhalb einer außermittig des Brenn:raummittelpunktes nahe an der Brennraumwandung schräg oder doch nahezu schräg .in: der Richtung des Drehsinns der Luft gestellten planen oder gewölbten Ebene erfolgt und zugleich der Verbrennungsluft eine um die Zylinderachse herum gleichsinnig mit der Strömungsrichtung der Brennstoffstrahlen verlaufendeBewegung erteilt wird.
3(. Dieselmotor mit rotationskörperförmigem Verbrennungsraum und schräg außerhalb der Mitte im Zylinderdeckel angeordneter Düse zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen der Drehbewegung der Luftladung im Zylinder ein in Gestalt einer Spirale auf das Einlaßventil zulaufender Einlaßkanal vorgesehen ist.
4. Dieselmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das außermittig angeordnete Einlaßventil in b.ezug auf die Zylinderachse eine Schräglage aufweist und der Hub des Einlaßventils über das Maß des zur Eröffnung des vollen: Ventil,durchflußquerschnittes erforderlichen Hubes hinaus erhöhbar ist.
5. Dieselmotor nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum kugelig oder leicht flachgedrückt ausgeführt und die Austrittsöffnung der Kugel nach dem Zylinderraum hin durch einen Zylinder gebildet ist, dessen Querschnitt etwa 65% des größten Brennraumquerschnittes beträgt und dessen Höhe mit 15 bis 3roi0lo des Brennraumradius in der Kolbenachsrichtung bemessen ist.
6. Dieselmotor nach Anspruch 3. bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlwurzel, d. h. die Stelle, an der der Strahl die Düsenbohrung verläßt, etwa a bis 4 mm tiefer als der obere Rand des zylindrischen Teiles des Brennraumes liegt. x. Dieselmotor nach Anspruch 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenhoden, Zylinderkopf und die Ventile allenfalls mit je voneinander verschiedenen Radien gewölbt ausgebildet sind.