DE942950C

DE942950C - Selbstzuendende, luftverdichtende Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE942950C
Application number: DEM21720A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Hans Hockel
Original assignee: Motoren Werke Mannheim AG
Current assignee: Caterpillar Energy Solutions GmbH
Priority date: 1954-01-31
Filing date: 1954-01-31
Publication date: 1956-05-09

Description

Selbstzündende, luftverdichtende Brennkraftmaschine Die Erfindung betrifft die besondere Gestaltung der Verbindung zwischen Vorkammer und Hauptverbrennungsraum bei selbstzündenden, luftverdichtenden Einspritzbrennkraftmaschinen. Der -diese Verbindung bildende Überströmquerschnitt ist .daabei durch einen Einsatz in eine innere Bohrung und eine Anzahl äußerer Durchtrittsöffnungen unterteilt, wobei die Einspritzdüse mit engem Strahlwinkel durch die erstgenannte Bohrung spritzt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, das Einsatzstück so zu gestalten, daß dasselbe ein Ein&trömen der Verbrennungsluft in die Vorkammer mit hoher Geschwindigkeit und ein Auftreffen der Luft auf den Brennstoffstrahl mit dieser Geschwindigkeit verhindert. Diese Verhinderung ist für einen einwandfreien und sparsamen Betrieb eines Dieselmotors sehr wesentlich, weil das Auftreffen eines Luftstrahls von hoher Geschwindigkeit auf den Brennstoffstrahl eine Zusammenballung der Brennstofftröpfchen und damit eine ungenügende Durchmischung von Brennstoff und Luft zur Folge hat, was wiederum einen hohen Brennstoffverbrauch und rußenden Auspuff mit sich bringt.
Mit den bisher bekannten Vorkammereiinsätz@em wurde die vorstehend erläuterte Aufgabe nicht gelöst. So wird z. B. bei Vorkammereinsätzen, welche eine mittlere und mehrere um dieselbe auf einem Kreis angeordnete Überströmnöffnungen aufweisen, das Ziel, den Brennstoffstrahl vor einer-Aufspaltung ,in größere Tropfen zu bewahren, nur in sehr unvollkommener Weise erreicht, . weil der Strömungsverlauf in den Querschnitten der äußeren, auf dem Kreis. liegenden Öffnungen so stark abgewinkelt und dadurch behindert ist, daß der Hauptanteil der Verbrennungsluft durch die mittlere Öffnung strömt, dabei auf den Brennstoffstrahl trifft und denselben ein der beschriebenen 'nachteiligen Weise beinflußt. Alle Überströnnöffnungen dieses bekannten Einsatzes münden scharfkantig in die Vorkammer und -.in den Verbrennungsraum. An diesen scharfen, Kanten entstehen Wirbel, die den Brennstoffstrahl zerreißen, so daß er nicht in der gewünschten geschlossenen Form durch die Mittelbohrung des Einsatzes gelangen kann.
Es ist ein weiterer Einsatz bekanntgeworden, bei dem um eine zylindrische Mittelbohrung mehrere Querschnitte angeordnet sind, deren Wände parallel zur Brennstoffstrah dachse verlaufen. Der Querschnitt der -Mittelbohrung und der Querschnitt der äußeren Öffnungen sind etwa gleich groß, so daß in der Mittelbohrung-immer noch eine sehr starke Strömung während des Verdichtungshubes herrscht, die den Brennstoffstrahl ungünstig beeinflußt. Hinzu kommt noch die unvorteilhafte Wirkung der auch in diesem Fall scharfkantigen Ausmündüngen der Überströmquerschnitte.
Andere bekannte Vorkammern besitzen eine schräg imVorkammerboden befinidlicheÜberströmöffnung sowie eine zur Vorkammerachse seitlich versetzte Einspritzdüse zu dem Zweck, daß der durch,die Überströmöffnung während des Verdichtungshubes in die Vorkammer einströmende Luftstrahl am Brennstoffstrahl vorbeigeleitet werden soll. Damit :ist jedoch der Nachteil verbunden, daß sich dieser Vorschlag nur bei einseitig zur Zylindermittelachse versetzter Vorkammer verwirklichen läßt, weil nur in dnesem Fall einte einigermaßen gleichmäßige Verteilung des Brennstoffstrahles über den Hauptverbrennungsraum stattfindet.
Die erfindungsgemäße Aufgabe der Vermeidung dieser Nachteile wird dagegen dadurch gelöst, daß bei einer symmetrisch zur Einspritzdüsenachse angeordneten Vorkammer Idas Einsatzstück derselben, welches eine mittlere Öffnung, auf die der eingespritzte Brennstoffstrahl gerichtet ist, sowie einen äußeren, ringförmig um die Mittelöffnung angeordneten Durchtrittsquerschnitt besitzt, so ausgebildet ist, -daß die Mittelöffnung des Einsatzstückes eine kleinere Querschnittsfläche aufweist als die ringförmige Öffnung -unid d'aß ferner die-Wandung der Mittelöffnung mit tropfenförmigem Querschnitt derart gestaltet ist, daß sie sich in Richtung auf den Zylinderraum verjüngt und daß außerdem die Begrenzungslinie der Außenwandung der ringförmigen Öffnung etwa nach einer Hyperbel verläuft, die in. die Brennraumwand bzw. den Zylindlerkopfboden übergeht, so daß, der Hauptteil der vom Kolben verdichteten Luft ohne wesentlichen Widerstand über die ringförmige Öffnung in die Brennkammer strömt, während dne durch die Mittelöffnung strömende Luft nur mit verhältnismäßig geringer Geschwindigkeit auf den Brennstoffstrahl auftrifft und daher eine Aufspaltung desselben verhindert.
Gemäß der weiteren Erfindung ist es vorteilhaft, den äußeren Ringquerschnitt des Einsatzstückes durch mehrere; vorzugsweise drei an sich bekannte Stege zu überbrücken, welche in Längsrichtung des Einsatzstückes schrägflächig verlaufen und bogenförmig ausgebildet sind. Hierdurch wird erreicht, daß die Bahnen der vom entzündeten Brennstoff in der Vorkammer in den Zylinderraum getriebenen Brennstoffteilchen mit einem Drall schräg nach unten verlaufen und so die Luft im Hauptverbrennungsraum möglichst schnell und vollständig erfassen.
Die besondere Gestalt der Stege weist darüber hinaus den weiteren Vorteil auf, daß Risse infolge von Wärmespannungen. vermieden bleiben.
Das Einsatzstück gemäß der Erfindung wirkt infolge seiner hohen Temperatur als Aufbereitungsstrecke, --und Versuche haben außerdem gezeigt, daß die Verhinderung der Brenn.stoffstrahlaufspaltung und die Vermeidung einer zu starken Drosselung zusammen mit der hervorgerufenen Drallwirkung einen überraschend niedrigen Brennstoffverbrauch zur Folge haben.
In der Zeichnung iist in Fig. i ein Längsschnitt durch eine Vorkammner sowie einen Teil des Zylinderkopfes gezeigt, wobei .ein erfindungsgemäßes Einsatzstück die Verbindung herstellt, während Fig. 2 einen Schnitt durch dieses Einsatzstück gemäß Linie A-A der Fig. i darstellt.
Wie Fig. i zeigt, ist über der Vorkammer i eine Einspritzdüse 3 angeordnet, welche unter einem verhältnismäßig kleinen Strahlwinkel den Brennstoff in erstere Kammer einspritzt. An der übergangssteile von der Vorkammer i in den z. B. wassergekühlten Zylinderkopf 5 ist ein Einsatzstück 7 angeordnet, welches sowohl eine mittlere Öffnung 9 als auch einen ringförmigen äußeren DuTchtrittsquerschnitt ii aufweist, der durch die Stege 13 unterteilt ist (siehe Fig. a). Die Stege sind dabei bogenförmig und in der Längsrichtung des Einsatzstückes schräg verlaufend angeordnet. Das Einsatzstück 7 besteht aus einem hochwarmfesten, zunderfreien Werkstoff und ist mit einem den Wärmedurchgang hemmenden Luftspalt 15 in den Zylinderkopf eingesetzt, so daß seine Temperatur während des Betriebes. so hoch ansteigt, daß es zur Brennstoffaufbereitung kommt. Die Vorkammer i umfaßt zwischen 30 und 7o°/0 der Verbrennungsluftmenge. Das Volumen der Vorkammer i und der Öffnungen 9, i i, gemessen in cm3; geteilt durch die Summe der kleinsten Querschnitte der Öffnungen 9, 11, gemessen in cm2, ergibt einen Wert, der zwischen 2o -und ioo cm liegt.
Im Kolben 17 der Brennkraftmaschine ist eine Mulde i9 vorgesehen, in welche der Vorkammerinhalt in Richtung -der in Fig. i eingezeichneten Pfeile eintritt. Die Kolbenmulde i9 kann dabei entweder durch die in Fig. i links dargestellte ringförmige, dem Strömungsverlauf angepaßte Vertiefung oder aber durch eine flache Mulde mit halbkreisförmigem Querschnitt, wie in Fig. i rechts dargestellt, gebildet sein.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Einrichtung ist folgende: Gegen Ende des Verdichtungshubes wird mittels der Einspritzdüse 3 Brennstoff in dem abgebildeten kleinen Strahlwinkel gegen die mittlere Öffnung 9 des Einsatzstückes 7 hin eingespritzt, während die vom Kolben 17 verdrängte Luft durch die äußeren Öffnungen i i in die Vorkammer i eintritt und den Einspritzkegel nur an seiner Mantelfläche berührt. Der Gesamtquerschnitt i i ist im Verhältnis zur Mittelöffnung 9 so groß bemessen, daß beim Verdichtungshub durch die letztere keine wesentliche, den Brennstoffstrahl nachteilig beeinflussende Strömung erfolgt. Überdies bringt das" Einsatzstück in seiner erfindungsgemäßen Gestaltung nur eine so schwache Drosselwirkung mit sich, daß die kleine Geschwindigkeitsenergie der durch die mittlere Öffnung g strömenden Luft ebenfalls nicht zu einer Aufspaltung des Brennstoffstrahles ausreicht.
Der in der Vorkammer i entzündete Brennstoff treibt den noch unverbrannten Brennstoffanteil unter gleichzeitiger Verdampfung sowie Aufbereitung desselben am heißen Einsatz 7 in den Hauptverbrennungsraum, wobei die schrägen und gebogenen Stege 13 die gewünschte Drallwirkung ausüben. Im Hauptverbrennungsraum erfolgt dann die endgültige Verbrennung des Treibstoffes.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Selbstzündende, luftverdichtende Brennkraftmaschine, bei der gegen Ende des Verdichtungshubes flüssiger Brennstoff in eine symmetrisch zur Einspritzdüsenachse angeordnete, in ihrem dem Zylinderraum zugewandten Teil mit einem Einsatzstück versehene Vorkammer eingespritzt wird und bei welcher dieses Einsatzstück eine mittlere Öffnung sowie einen äußeren, . ringförmig um die Mittelöffnung angeordneten Durchtrittsquerschnitt besitzt, wobei der eingespritzte Brennstoffstrahl zur Mittelöffnung hin gerichtet ist und mit seinem größten Durchmesser ungefähr die Wandung der mittleren Bohrung berührt, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelöffnung (9) des Einsatzstückes (7) eine kleinere Querschnittsfläche aufweist als die ringförmige Öffnung (i i), daß ferner die Wandung der Mittelöffnung (9) im Querschnitt in der Weise tropfenförmig ausgebildet ist, daß sie sich in Richtung auf den Zylinderraum hin verjüngt und daß außerdem die Begrenzungslinie der Außenwandung der ringförmigen Öffnung (ii) etwa nach einer Hyperbel verläuft, die in die Brennraumwand bzw. den Zylinderkopfboden übergeht, so daß der Hauptteil der vom Kolben verdichteten Luft ohne wesentlichen Widerstand über -die ringförmige Öffnung (i i) in die Brennkammer (i) strömt, während die durch die Mittelöffnung (9) strömende Luft nur mit verhältnismäßig geringer Geschwindigkeit auf den Brennstoffstrahl auf trifft und daher eine Aufspaltung desselben verhindert. a. Selbstzündende, luftverdichtende Brennkraftmaschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Ringquerschnitt (i i) des Einsatzstückes (7) durch mehrere an sich bekannte Stege derartig unterbrochen ist, daß dem bei der einsetzenden Verbrennung aus der Vorkammer durch die Zwischenräume der Stege strömenden teilverbrannten Brennstoff-Luft-Gemisch eine drallförmige Bewegung erteilt wird. 3. Selbstzündende, luftverdichtende Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (i i) bogenförmig gestaltet sind und in Längsrichtung des Einsatzstückes (7) schrägflächig verlaufen. Angezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 697 Zoo, 854 716; österreichische Patentschrift Nr. 99 525.