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Einspritzbrennkraftmaschine mit einer Vorkammer
Es sind Einspritzbrennkraftmaschinen bekannt, deren Vorkammer bei stirnseitiger axialer Kraftstoffeinspritzung aus einem zylindrischen Teil im Bereich des Kraftstoffeintrittes, einem daran anschliessenden konischen oder kugeligen Teil und einem weiteren zylindrischen Teil mit kleinerem Durchmesser besteht, welch letzterer stirnseitig abgeschlossen ist und wenigstens eine gegenüber der Vorkammerachse versetzte Überströmöffnung zum Hauptbrennraum aufweist. Bei derartigen Vorkammern findet eine ungenügende bzw. zu sehr drehzahlabhängige Durchwirbelung der Luft in der Vorkammer und damit auch eine unzureichende Aufbereitung des Kraftstoff-Luftgemisches statt.
Sind zur Erreichung einer besseren Wirbelung mehrere radiale Überströmöffnungen vorgesehen, so besteht die Gefahr, dass die Stege zwischen den Überströmöffnungen durchbrennen und die stirnseitige Abschlusskappe der Vorkammer abfällt. Eine weitere bekannte Ausbildung besitzt zwischen dem konischen und dem zylindrischen Vorkammerteil mit dem kleineren Durchmesser eine Einschnürung, die zu einer verbesserten Aufbereitung des KraftstoffLuftgemisches führt. Dabei handelt es sich aber um eine Einschnürung, die nach beiden Seiten düsenartig abgerundet ist und daher auch in beiden Richtungen etwa gleiche Durchströmverhältnisse ergibt.
Schliesslich ist eine Vorkammer bekannt, die durch eine Zwischenwand mit verhältnismässig enger zentraler Durchströmöffnung in zwei ungleich grosse Räume unterteilt ist, die bei gleichem Durchmesser zylindrisch ausgebildet sind. Im brennraumseitigen kleineren Raum soll durch etwa tangential einmündende Überströmöffnungen beim Verdichtungshub eine Rotationswirbelung entstehen. Nachteilig sind hiebei die beim Überströmen von dem einen in den andern Vorkammerraum verbleibenden Toträume am Übergang zwischen der Vorkammerwand und der Zwischenwand sowie die Leistungsverluste zufolge der notwendigen, verhältnismässig grossen Überschubkräfte von dem einen zum andern Vorkammerraum.
Die Erfindung bezweckt eine weitere Verbesserung der bekannten Ausführungen. Sie geht von einer Vorkammer aus, die ebenfalls bei stirnseitiger axialer Kraftstoffeinspritzung durch eine Einschnürung in zwei gegenüber dieser erweiterte Räume unterteilt ist, von denen der grössere, ditsenseitige aus einem zylindrischen Teil im Bereich des Kraftstoffeintrittes und einem zur Einschnürung überleitenden konischen Teil besteht, wogegen der andere Raum einen im Durchmesser wesentlich kleineren Zylinder mit etwa halbkugeligem Abschluss und wenigstens einer gegenüber der Vorkammerachse versetzten Überström- öffnung bildet, und zeichnet sich dadurch aus, dass der brennraumseitige zylindrische Vorkammerraum mit dem kleineren Durchmesser gegen die Einschnürung in an sich bekannter Weise'scharfkantig abgesetzt ist,
sein Volumen etwa ein Sechstel des Gesamtvolumens der Vorkammer und seine axiale Erstreckung etwa das 2, 4 fache seines Durchmessers betragen, wobei die Achse der Überströmöffnung die gegenüberliegende zylindrische Mantelfläche der Vorkammerwana mit Abstand unterhalb der Einschnürung trifft.
Die durch die scharfkantige Absetzung erreichte Formgebung der Einschnürung hat verschiedene Strömungsverhältnisse für die beiden Strömungsrichtungen zur Folge. Beim Verdichtungshub bewirkt der scharfkantige Absatz eine starke Einschnürung des in den oberen Raum der Brennkammer eintretenden Luftstromes mit einer Geschwindigkeitssteigerung und Temperaturerhöhung aber ohne die Gefahr des Verbleibens von Toträumen. Durch die Geschwindigkeitssteigerung des gegen den Kraftstoffstrahl gerichteten Luftstromes wird eine rasche und innige Durchmischung mit dem Kraftstoff zu Beginn der Verbrennung erzielt, was für einen geringen Zündverzug und einen weicheren Lauf der Maschine wünschenwert ist.
Die schlanke Form des unteren Vorkammerraumes hat eine gut gerichtete Strömung durch die
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Einschnürung zur Folge. Da der konische Brennkammerteil unmittelbar zur Einschnürung überleitet, ergibt sich für das Rückströmen in der Richtung des Kraftstoffstrahles ein wesentlich verminderter Durchströmwiderstand mit geringen Leistungsverlusten, wobei die noch unverbrannten Teile des Kraftstoffstrahles möglichst ungehindert bis zum kugeligen Abschluss des Vorkammerraumes gelangen. Die in der einen Richtung scharfkantig abgesetzte Einschnürung hat aber nicht nur eine wünschenswerte Wirbelbildung im oberen Brennkammerraum zur Folge, sondern begünstigt auch das Anlassen der kalten Brennkraftmaschine durch die beim Verdichtungshub auftretende Lufterwärmung.
Dabei wird die blendenartige Einschnürung rasch zum Glühen gebracht und dann ständig im glühenden Zustand gehalten, wodurch eine weitere Verkürzung des Zündverzuges eintritt. Ausserdem wird durch die erfindungsgpmäa ausge- bildete Einschnürung eine genaue Trennung der beiden Vorkammerräume erreicht, wobei im oberen Raum vorwiegend die Vorverbrennung stattfindet, wogegen der untere Raum der Gemischaufbereitung für den Hauptbrennraum dient. Versuche haben ergeben, dass bei der besonderen Volumsauftellung die höchste Leistung bzw. der geringste spezifische Kraftstoffverbrauch erzielt wird. Es ist ein verhältnismässig grosses Volumen des oberen Teilraumes erforderlich, um durch die dort stattfindende Vorverbrennung ausreichende Energie für das Ausschieben des im unteren Teilraum aufbereiteten Gemisches in den Hauptbrennraum zu gewinnen.
Da die Achse der Überströmöffnung die gegenüberliegende zylindrische Mantelfläche der Vorkammerwand mit bedeutendem Abstand unterhalb der Einschnürung trifft, wird die Bildung einer gerichteten Strömung vom unteren in den oberen Teilraum nicht behindert und es wird dadurch auch vermieden, dass der Kolbenboden beim Überströmen des Gemisches untei einem steilen Winkel getroffen wird.
Es ist zwar bereits eine Vorkammer bekannt, bei der ein koniscner Teil zu einer Einschnürung über- leitet, die sich dann scharfkantig zu einem zylindrischen Teil erweitert. Dabei ist dieser zylindrische Teil aber durch eine weite koaxiale Überströmöffnung mit dem Hauptbrennraum verbunden und es sind in ihm mehrere Ringscheiben undAbstandsringe eingesetzt, so dass sich insgesamt eine Aneinanderreihung von zu einem Drosselkanal konzentrischen Ringräume ergibt. Die durch die lamellenartig angeordneten Ringscheiben gebildeten, einander abwechselnden plötzlichen Verengungen und Erweiterungen wirken nach Art einer Labyrinthdichtung und haben zwar eine erhöhte Drosselung, damit aber auch vergrösserte Strömungswiderstände und erhöhte Leistungsverluste zur Folge.
Auch ist das bei Normalbetrieb durch die starke Drosselwirkung verhinaerte Durchspritzen des Kraftstoffstrahles in den Haubtbrennraum ungünstig, weil die im Hauptbrennraum noch vorhandene Frischluft dann für die Verbrennung ungenützt bleibt.
Bei der erfindungsgemässen Ausbildung gelangen hingegen unverbrannte Teile des Kraftstoffstrahles ungehindert in den unteren Teilraum der Vorkammer und werden von dort nach der Gemischbildung bei der Vorverbrennung im oberen Teilraum in den Hauptbrennraum ausgeschoben. Eine weitere bekannte Ausführung weist einen von der Vorkammer zum Hauptbrennraum führenden, durch einen Boden abgeschlossenen Überströmkanal auf, der vor den im BodenLereich angeordneten Austrittsöffnungen in Form einer Erweiterung auf einen grösseren Durchmesser abgesetzt ist. Dieser Absatz ist aber nicht scharfkantig, und die Erweiterung dient nur dazu, eine genügende Anzahl von Austrittsöffnungen unterzubringen.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand in einem Ausführungsbeispiel im Schnitt dargestellt.
Mit 1 sind der Zylinder, mit 2 der Kolben und mit 3 der Zylinderkopf bezeichnet, in dem zwei Einsätze 4, 5 zur Bildung der Vorkammer vorgesehen sind. Die Vorkammer ist bei axialer stirnseitiger Kraftstoffeinspritzung mittels einer Düse 6 durch eine Einschnürung 7 in zwei Räume 8. 9 unterteilt. Der obere Raum 8 besteht aus einem düsenseitigen zylindrischen Teil und einem konischen Teil, der zur Einschnürung 7 überleitet. Der Raum 9 bildet einen gegenüber dem oberen Zylinder im Durchmesser kleineren Zylinder, ist gegen die Einschnürung 7 scharfkantig abgesetzt und unten etwa halbkugelig abgeschlossen.
Seine axiale Erstreckung beträgt etwa das 2, 4-fache seines Durchmessers. Vom unteren Raum 9 führen zwei divergierende Bohrungen 10 als Überströmöffnungen zum Hanptbrennraum. Das Volumen des oberen Raumes 8 ist etwa 5 mal so gross wie jenes des unteren Raumes 9.
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Injection internal combustion engine with an antechamber
Injection internal combustion engines are known whose prechamber consists of a cylindrical part in the area of the fuel inlet, an adjoining conical or spherical part and a further cylindrical part with a smaller diameter, the latter being closed at the end and at least one overflow opening offset from the prechamber axis to the main combustion chamber. In such pre-chambers, there is insufficient or too much speed-dependent turbulence of the air in the pre-chamber and thus inadequate preparation of the fuel-air mixture.
If several radial overflow openings are provided in order to achieve better turbulence, there is the risk that the webs between the overflow openings will burn through and the end cap of the antechamber will fall off. Another known design has a constriction between the conical and the cylindrical prechamber part with the smaller diameter, which leads to an improved preparation of the fuel / air mixture. This is, however, a constriction that is rounded off like a nozzle on both sides and therefore results in approximately the same flow conditions in both directions.
Finally, an antechamber is known which is divided by an intermediate wall with a relatively narrow central flow opening into two spaces of unequal size, which are cylindrical with the same diameter. In the smaller space on the combustion chamber side, overflow openings which open out approximately tangentially are intended to create a rotational vortex during the compression stroke. Disadvantages are the dead spaces remaining at the transition between the antechamber wall and the partition wall when flowing over from one antechamber space to the other, as well as the power losses due to the necessary, relatively large thrust forces from one antechamber space to the other.
The invention aims to further improve the known designs. It is based on an antechamber, which is also divided by a constriction into two enlarged spaces with frontal axial fuel injection, of which the larger, on the ditside side, consists of a cylindrical part in the area of the fuel inlet and a conical part leading to the constriction, whereas the Another space forms a cylinder with a much smaller diameter with an approximately hemispherical closure and at least one overflow opening offset from the prechamber axis, and is characterized in that the cylindrical prechamber space on the combustion chamber side with the smaller diameter is set off sharply against the constriction in a known manner is
its volume is about one sixth of the total volume of the prechamber and its axial extent about 2.4 times its diameter, the axis of the overflow opening meeting the opposite cylindrical surface of the prechamber at a distance below the constriction.
The shape of the constriction achieved by the sharp-edged deposition results in different flow conditions for the two directions of flow. During the compression stroke, the sharp-edged shoulder causes a strong constriction of the air flow entering the upper space of the combustion chamber with an increase in speed and temperature but without the risk of dead spaces remaining. By increasing the speed of the air flow directed against the fuel jet, rapid and intimate mixing with the fuel is achieved at the beginning of combustion, which is desirable for a low ignition delay and smoother running of the engine.
The slender shape of the lower antechamber has a well-directed flow through the
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Constriction result. Since the conical part of the combustion chamber leads directly to the constriction, there is a significantly reduced flow resistance with low power losses for the backflow in the direction of the fuel jet, with the still unburned parts of the fuel jet reaching the spherical end of the antechamber space as unhindered as possible. The constriction, which is sharp-edged in one direction, not only results in a desirable vortex formation in the upper combustion chamber space, but also favors the starting of the cold internal combustion engine due to the air heating occurring during the compression stroke.
The diaphragm-like constriction is quickly made to glow and then kept in the glowing state, which further shortens the ignition delay. In addition, the constriction formed according to the invention achieves a precise separation of the two prechamber spaces, with the pre-combustion predominantly taking place in the upper space, whereas the lower space is used for mixture preparation for the main combustion space. Tests have shown that the highest performance or the lowest specific fuel consumption is achieved with the special volume distribution. A relatively large volume of the upper sub-space is required in order to gain sufficient energy for the expulsion of the mixture prepared in the lower sub-space into the main combustion chamber due to the pre-combustion taking place there.
Since the axis of the overflow opening meets the opposite cylindrical outer surface of the antechamber wall at a significant distance below the constriction, the formation of a directed flow from the lower to the upper subchamber is not hindered and it is also avoided that the piston head becomes steep when the mixture overflows Angle is hit.
An antechamber is already known in which a conical part leads over to a constriction, which then widens with sharp edges to form a cylindrical part. In this case, however, this cylindrical part is connected to the main combustion chamber by a wide coaxial overflow opening and several annular disks and spacer rings are used in it, so that a total of annular chambers concentric to a throttle channel results. The alternating sudden constrictions and expansions formed by the lamellar arranged annular disks act like a labyrinth seal and indeed result in increased throttling, but also increased flow resistance and increased power losses.
The spraying of the fuel jet into the main combustion chamber, which is prevented by the strong throttling effect during normal operation, is also unfavorable because the fresh air still present in the main combustion chamber then remains unused for the combustion.
In the embodiment according to the invention, on the other hand, unburned parts of the fuel jet reach the lower part of the prechamber unhindered and are pushed out from there into the main combustion chamber after the mixture has formed during the pre-combustion in the upper part. Another known embodiment has an overflow channel which leads from the antechamber to the main combustion chamber and is closed off by a base and which is offset in the form of an enlargement to a larger diameter in front of the outlet openings arranged in the base area. However, this paragraph is not sharp-edged, and the extension only serves to accommodate a sufficient number of outlet openings.
In the drawing, the subject matter of the invention is shown in section in an exemplary embodiment.
1 with the cylinder, with 2 the piston and 3 with the cylinder head are designated in which two inserts 4, 5 are provided to form the antechamber. In the case of axial frontal fuel injection by means of a nozzle 6, the prechamber is divided by a constriction 7 into two spaces 8, 9. The upper space 8 consists of a cylindrical part on the nozzle side and a conical part which leads over to the constriction 7. The space 9 forms a cylinder which is smaller in diameter compared to the upper cylinder, is set off with sharp edges against the constriction 7 and is approximately hemispherical at the bottom.
Its axial extent is about 2.4 times its diameter. Two diverging bores 10 lead from the lower space 9 as overflow openings to the hemp combustion space. The volume of the upper space 8 is about 5 times as large as that of the lower space 9.