-
Verfahren zum Betriebe einer Brennkraftmaschine mit Brennstoffeinspritzung
Die Erfindung .betrifft ein Verfahren zum Betrieb von Brennkraftmaschinen mit Brennstoffeinspritzung
und Fremdzündung sowie eine nach diesem Verfahren arbeitende Brennkraftmaschine.
-
Bei den bekannten Brennkraftmaschinen mit Brennstoffeinspritzung und
Fremdzündung ist man bestrebt, das Brennstoff-Luft-Gemisch von vornherein möglichst
homogen zu machen, weil sonst eine Schichtung von Brennstoff und Luft stattfindet,
die zwar bei armen Gemischen unter gewissen, im übrigen mitunter nur schwer einhaltbaren
Bedingungen, eine brauchbare Verbrennung ermöglicht, bei reichen Gemischen dagegen
nicht oder nur unter Verzicht auf eine gäbe Leistung.
-
Die Erfindung sieht demgegenüber ein Verfahren zum Betrieb von Brennkraftmaschinen
mit Brennstoffeinspritzung und gesteuerter Fremdzündung vor, bei dem bei Verwendung
reicher Gemische eine gute Verbrennung mit großer Leistung erzielt wird, während
sogar bei Verwendung von Gemischen, die wesentlich ärmer sind, als dies bei den
üblichen Brennkraftmaschinen der Fall ist, noch eine gute Verbrennung mit einem
entsprechend .der geringeren Leistung vergrößerten Wirkungsgrad stattfindet,
und
zwar beruht die Eilfindung auf der Erkenntnis, @daß ,eine gute Verbrennung sowohl
reicher als auch armer Gemische in dem besagten Sinn erzielbar ist, wenn in dem
Augenblick, in dem die Zündung eingeleitet wird, das Gemisch weder eine ausgesprochene
Brennstoff-Luft-Schichtung aufweist, noch völlig homogenisiert ist, sondern ein
Gemisch darstellt, das makroskopisch gesehen bzw. global betrachtet, als ein homogenes
Gemisch bezeichnet werden könnte, mikroskopisch betrachtet dagegen ein noch inhomogenes
Gemisch ist, also eine mehr oder minder große örtliche Brennstoff-Luft-Schichtung
aufweist, wobei die Homogenisierung im Augenblick der Zündung des reichen Ger misches
weiter fortgeschritten ist als bei armen Gemischen.
-
Die Erfindung sieht zu diesem Zweck vor, daß in dem Zylinder der Brennkraftmaschine
durch Einspritzen von Brennstoff in mindestens zwei Richtungen in die wirbelfrei
oder wenig wirbelnd eingesaugte Luft eine Brennstoff-Luft-Schichtung herbeigeführt,
in diesem geschichteten Brennstoff-Luft-Gemisch während des Kompressionshubes durch
Hineindrücken :des Gemisches in eine mit dem Zylinder in Verbindung stehende Wirbelkammer
die mehr oder weniger geordnete Schichtung in eine ungeordnete, aber über die ganze
Wirbelkammer gleichmäßig verteilte Schichtung übergeführt und hierauf das Gemisch
gezündet wird.
-
Es wird also nach diesem Verfahren in dem Zylinder der Brennkraftmaschine
sowohl bei reichen als auch bei armen Gemischen absichtlich eine Brennstoff-Luft-Schichtung
herbeigeführt und anschließend dieses geschichtete Gemisch durch den Kolben in eine
Wirbelkammer gedrückt, in der mit fortschreitender Wirbelung eine immer größer werdende
Zerstückelung .der Schichtung, also eine immer größer werdende makroskopische oder
globale Homogenisierung herbeigeführt wird, die jedoch nicht eine vollständige,
.d. h. restlose Homogenisierung ist.
-
Bei reichen Gemischen, also bei Vollastbetrieb, wird .dieses zerstückelte
Gemisch in der Wirbelkammer in einem Zeitpunkt gezündet, -wo die Zerstückelung der
Brennstoff-Luft-Schichten ziemlich weit fortgeschritten ist. In diesem Zeitpunkt
verbrennt das reiche, stark zerstückelte Gemisch verhältnismäßig gut, und ist die
Verbrennung erst einmal eingeleitet, so gelangt auch der Rest des Gemisches gut
zur Verbrennung, weil er durch die eingeleitete Verbrennung und die dieser entgegengesetzte
noch in gleicher Richtung fortschreitende Kolbenbewegung einer weiteren Durchwirbelung,
also einer fortschreitenden Homogenisierung unterworfen wird.
-
Bei armen Gemischen, also bei Teillastbetrieb, muß die Zündung früher
als bei reichen. Gemischen erfolgen, d. h. zu einem Zeitpunkt, in dem sich das geschichtete
Gemisch in der Wirbelkammer noch nicht so weitgehend homogenisiert hat wie bei reichen
Gemischen. Die Erfahrung hat gezeigt, daß selbst ausgesprochen arme Gemische, .d.
h. solche, .die wesentlich ärmer sind als die, deren Verbrennung in den üblichen
Brennkraftmaschinen gerade noch möglich ist, wenn sie in einem- gewissen Schichtungszustand
von Brennstoff und Luft zur Zündung gebracht werden, eine einwandfreie Verbrennung
ermöglichen. Es ergibt sich hierauf eine Erhöhung .der Leistung der Brennkraftmaschine,
die hauptsächlich auf die Möglichkeit zurückzuführen ist, mit armen Gemischen zu
arbeiten, die wesentlich ärmer sind als die Gemische, mit denen die üblichen Brennkraftmaschinen
einwandfrei betrieben werden -können.
-
Die Erfindung sieht ferner zur Durchführung ,des besagten neuen Verfahrens
bei einer Brennkraftmaschine mit gesteuerter Fremdzündung, beweglichem Kolben und
Auslaßventi.l für das verbrannte Gemisch vor, .daß sie eine in den Zylinder mündende
Lufteinlaßöffnung, eine den Brennstoff in mindestens zwei Richtungen in die angesaugte
Luft einspritzende Düse und eine mit dem Zylinder in Verbindung stehende, im Querschnitt
vorzugsweise kreisförmige Wirbelkammer mit im Bereich des erzeugten Wirbels angeordneter
Zündvorrichtung besitzt, wobei vorzugsweise die Einspritzdüse in der Nähe der Verbindungsstelle
von Zylinder und Wirbelkammer .angeordnet und so ausgebildet ist, daß bei der Einspritzung
des Brennstoffes in zwei Richtungen einer der .durch die Wirbelkammer hindurch in
das oberste Ende des Zylinders und der andere mit einer stärker geneigten Richtung
im wesentlichen unmittelbar in den Zylinder gespritzt. wird. Schließlich empfiehlt
es sich, das Auslaßventil für .das verbrannte Gemisch in der Wirbelkammer anzuordnen.
-
Die Wirbelkammer kann aber gemäß der Erfindung auch im Kolbenboden
vorgesehen sein, und in diesem Fall wird das Auslaßventil außerhalb der Wirbelkammer
im Zylinder angeordnet.
-
Das Ziel der Erfindung ist, mit Hilfe von Einspritzvorrichtungen mit
mehreren Einspritzdüsen zunächst den Brennstoff in der Verbrennungskammer, insbesondere
in dem durch das Einlaßventil angesaugten Luftstrom ohne Verhinderung einer örtlichen
Schichtbildung, d. h. beim Einspritzendes Brennstoffes in mehreren Strahlen, um
jeden Strahl herum, gut zu verteilen. (zu diesem Zweck wird der Brennstoff in eine
nicht oder nur schwach wirbelnde Luftmasse eingespritzt) und anschließend die Schichtenbildung
so weitgehend zu vermindern, daß ein Zündender armen Gemische noch möglich ist und
dieVerbrennungsgeschwindigkeit dieser armen Gemische vergrößert ist; dies wird gegen
Ende der Gemischverdichtung durch eine starke Durchwirbelung des Gemisches und damit
durch eine Zerstückelung der gebildeten Schichten sowie durch Zündung des Gemisches
in der besagten Wirbelung erreicht.
-
Eine auf diese Weise arbeitende Maschine hat wegen des guten Luftverbrauchs
eine große Leistung, bietet die Möglichkeit des Betriebes mit Gemischen, die viel
ärmer sind (annähernd gemäß dem Luftüberschuß) als die armen Gemisch-- der üblichen
Brennkraftmaschinen, und besitzt einen
größeren Wirkungsgrad beim
Betrieb mit armbi Gemischen.
-
Die Wirbelkammer wird vorzugsweise an einer heißen Stelle der Verbrennungskammer
vorgesehen, damit das Zünden zur Vermeidung des Verpuffens an einer günstigen Stelle
stattfindet. Ferner wird bei Ventilsteuerung das Auslaßventil in der Wirbelkammer
angeordnet, damit außerdem die Verbrennungsgase gut abgeleitet werden, und. zwar
ist diese Anordnung dann besonders vorteilhaft, wenn das bekannte Verfahren des
Ausblasens angewendet wird, um das verbrannte Gas durch die eingelassen-Druckluft
auszustoßen, was in einem für den Einlaß und den Auslaß gemeinsamen Abschnitt des
Kreisprozesses stattfindet.
-
Schließlich wird, um die Gefahr des Verpuffens zu vermindern, vorzugsweise
dafür Sorge getragen, daß die Verbrennung an einer gut gekühlten Stelle des Zylinderkopfes
zu Ende geht, die eine im Vergleich zum Volumen große Oberfläche hat; diese Stelle
wird, wenn eine Ventilsteuerung vorgesehen ist, vorzugsweise um das Auslaßventil
herum gewählt.
-
In der Zeichnung ist eine Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung in
einigen Ausführungsbeispielen schematisch dargestellt, und zwar zeigen Fig. i bis
7 die Zylinderköpfe dieser Ausführungsbeispiele.
-
Die in den verschiedenen Figuren v eranschaulichten Kraftmaschinen
besitzen einen Sitz i für ein nicht dargestelltes Einlaßventil, einen Sitz :2 für
ein Auslaßventil, eine Einspritzdüse 3 für zwei Strahlen a-b, a-c und eine Zündkerze
4. Die Lage des Kolbens im oberen Totpunkt ist durch die Linie x-y angedeutet. Eine
Wirbelkammer, .die das Auslaßventil,- die Zündkerze und die Einspritzdüse enthält,
hat gemäß Fig. i eine annähernd kugelförmige Gestalt. Die von. der Einspritzdüse
ausgehenden Strahlen a-b und a-c durchsetzen die Luft im Zylin.derrauin und sind
gegen den Luftstrom gerichtet, der wirbelfrei oder nahezu wirbelfrei durch .das
Einlaßventil i einströmt.
-
Gegen Ende der Verdichtung gerät das geschichtete Luft-Brennstoff-Gemisch
in der Wirbelkammer in eine Wirbelbewegung, die durch Pfeile angedeutet ist. Die
Zündkerze befindet sich in der Achse des Wirbels. Die: Verbrennung geht in .der
Nähe des Einlaßventils i zu Ende, wo wegen des Lufteinlasses und ferner dadurch
eine gute Kühlung stattfindet, daß die Wandstärke der Verbrennungskammer an dieser
Stelle gering ist und die Austauschflächen im Vergleich zum Volumen groß sind.
-
Fig. 2 zeigt eine annähernd gleiche Anordnung der einzige Unterschied
besteht eigentlich nur darin, daß die Wirbelkammer eine annähernd zylindrische Gestalt
hat.
-
y Fig. i und 2 zeigen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung,
es können aber auch andere Anordnungen getroffen -,werden, die nachfolgend beispielsweise
beschrieben sind.
-
Fig. 3 und 4 sind zwei Schnitte durch eine solche andere Ausführungsform,
jeweils gemäß der Linie III-III der Fig. 4 und der Linie IV-IV der hig. 3. Die Merkmale
dieser Ausführung sind, soweit die Wirkungsweise in Betracht kommt, die gleichen
wie bei den Ausführungen nach kommt-, i und 2. Die Richtung der Gemischströmung
am Ende der Verdichtung ist in Fig.4 durch Pfeile angedeutet.
-
Fig. 5 zeigt eine Ausführung, bei der das Auslaßventil außerhalb der
Wirbelkammer angeordnet ist. Der Sitz i .des Einlaßventils und der Sitz 2 des Auslaßventils,
die in bezug auf die Ebene des Zeichnungsblattes symmetrisch angeordnet sind, haben
in der Projektion den gleichen Umriß. Die Wirbelkammer ist annähernd kugelförmig,
und die Pfeile deuten die Richtung der Gemischströmung an.
-
Bei der Anordnung gemäß Fig. 6 wird die " Wirbelung des Gemisches
durch eine Aussparung des Kolbens 5 erzeugt. Die Zündkerze 4 befindet sich über
dieser Aussparung und daher in der Wirbelzone.
-
Fig.7 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer Steuerung :durch Einlaßschlitze
i' und Auslaßschlitze 2'. Die Wirbelkammer enthält die Zündkerze 4.