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Einspritzverfahren für selbstzündende Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren
Die Erfindung bezieht sich auf ein Einspritzverfahren für eine selbstzündende Brennkraftmaschine, ins- besondere eine Dieselmaschine, mit im Kolben liegendem rotationskörperförmigem Verbrennungsraum und schräg ausserhalb der Mitte im Zylinderdeckel angeordneter Düse, bei der der aus der Düse austretende Kraftstoff nach einer geringen freien Weglänge als dünner Film auf die Wand des Brennraumes aufgebracht und zugleich der einströmenden Luft eine solche Drehbewegung erteilt wird, dass hiedurch der Kraftstoff inDampfform von der Wand allmählich abgelöst, mit der Luft vermischt und verbrannt wird.
Zweck der Erfindung ist es, dieses Verfahren mit einfachsten Mitteln den Anlasserfordernissen zweckentsprechend anzupassen.
Das obige Einspritz- und Gemischbildungsverfahren für selbstzündende Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmaschinen, welches als solches bekannt ist, besitzt den Vorteil, eine sehr grosse Wirtschaftlichkeit der Kraftstoffausnutzung mit einem ruhigen Gang der Maschine zu vereinen ; dies wird durch die Eigenart der Aufspritzung des Kraftstoffes auf die Wand des Brennraumes erreicht, wobei der Kraftstoff durch die Wärme der Brennraumwand an der letzteren aufdampft und im dampfförmigen Zustand mit der Luft vermischt wird.
Beim Anlassen der kalten Maschine ist nun die Brennraumwand noch nicht erwärmt und die Verdampfung des eingespritzten Kraftstoffes geht so langsam vor sich, dass anfänglich nur ein kleiner Teil desselben verbrennt. Für die eigentliche Zündung in der verdichteten Luft steht dann nur die kleine Menge Kraftstoff zur Verfügung, die unmittelbar auf die Luft verteilt ist und die in der gleichen Weise, wie bei einer Dieselmaschine üblicher Bauart, die zur initialen Zündung erforderliche Zerfallsreaktion durchmacht. Man kannmm an sich das Anlassverhallen von Dieselmaschinen insbesondere bei tiefen Aussentemperaturen dadurch verbessern, dass man die eingespritzte Brennstoffmenge über die normale Vollastmenge wesentlich vergrössert und dadurch eine intensive Zerstäubung durch die Düsen herbeiführt.
Nach dem der Erfindung zugrunde liegenden Einspritz- und Gemischbildungsverfahren ist jedoch im Brennraum eine kräftige Drehung der Verbrennungluft in Richtung des Brennstoffstrahles vorgesehen und diese Luftbewegung würde nun die Vorteile der vermehrten Kraftstoffeinspritzung beim Anlassen wieder zurichte machen, da infolge der vorhandenen Gleichsinnigkeit von Luft- und Kraftstoffstrom die durch die vermehrte Anlass-Einspritzmenge gebildeten feinen Zerstäubungsteile wieder auf die Wand geworfen und damit. dem Zerfallvorgang in der heissen Verbrennungsluft entzogen würden. Für das Anlassen bei tiefen Temperaturen ist also dieser Vorgang, der beim normalen Lauf der Maschine einen Vorteil darstellt, nachteilig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, für das der Erfindung zugrunde liegende Einspritzund Gemischbildungsverfahren Massnahmen für den Anlassvorgang anzugeben, durch welche die vorstehenden Nachteile vermieden werden.
Diese Massnahmen bestehen nach dem Hauptmerkmal der Erfindung darin, dass während des Anlassens der Maschine nur ein kleiner Teil des Kraftstoffes auf die Brennraumwand (wandverteilt) und der grössere Teil jedoch in die im Brennraum verdichtete Luft (luftverteilt) eingespritzt wird. Um dies zu erreichen, wird nach einem weiteren Merkmal der Erfindung eine verstellbare Einspritzdüse vorgesehen, die aus der Betriebslage so verdrehbar ist, dass ein oder mehrere Kraftstoffstrahlen sehnen-oder durchmesserartig in
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die Brennraumwand gerichte-oder höchstens nur mehr geringfügig berührt. Nach erfolgter Zündung wird die Düse wieder in die Betriebslage zurückgedreht, um die bei dieser Lage durch die vorwiegende Wandberührung des Kraftstoffes erreichbare ruhige Arbeitsweise der Maschine zu gewährleisten.
Ein weiteresMerkmalzur Erreichung des gleichen Zieles, nämlich den Anlassvorgang zu verbessern,
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so dass während des Anlassens der Maschine der grössere Teil des Kraftstoffes in an sich bekannter Weise entgegen der Drehung der Luft in diese eingespritzt wird, während nur ein kleiner Teil des Krafstoffes auf die Brennraumwand aufgebracht wird. Gegebenenfalls kann die Drehbewegung der Luft gegenüber deren Betriebsdrehbewegung auch vermindert oder ganz unterbunden werden. Die Drehung der Verbrennungsluft wird üblicherweise durch ein abgeschirmtes Ventil oder auch durch Ausbildung des Ansaugkanals als Spi-
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Luft zu verändern oder auch ihren Drehsinn umzukehren.
So kann beispielsweise bei einem abgeschirmten Ventil durch Verdrehen des Schirmes um 1800 der Drehsinn der Luft völlig umgekehrt werden ; bei einer Verdrehung des Schirmes um 900 besitzt die Luft überhaupt keine Drehbewegung mehr und bei verdrehung um 45 ist die Drehbewegung wesentlich verkleinert.
Wird nun etwa durch Verdrehen des Ventilschirmes um 1800 der Drehsinn der Luft umgekehrt, so wird die relative Geschwindigkeit zwischen Kraftstoffstrahl und Luft, die bei gleichsinniger Strömung sehr gering ist, sehr gross ; dies hat zur Folge, dass nunmehr die feinen, den Strahl umhüllenden zerstäubten Kraftstoffteilchen nicht mehr auf die Wand geworfen, sondern vom Einspritzstrahl weggerissen und auf einer Kurve nach dem Inneren des Brennraumes geführt werden, die durch die kinetische Energie der Kraftstoffteilchen und die wirksamen Luftkräfte bestimmt ist. Die gleiche Wirkung, wenn auch in geringerem Masse, entsteht, wenn durch Verminderung der Drehgeschwindigkeit der Luft, also bei einer Schirmverstellung von z.
B. 90 , die zentrifugierende Wirkung der Luft auf die fein zerstäubten Kraftstoffteilchen verringert wird. In diesen Fällen bleiben die Brennstofftröpf-
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Luft schweben, um zu einer sofortigen Zündung zu kommen.
Die vorgenannten Massnahmen können auch kombiniert angewendet werden, indem beispielsweise sowohl die Einspritzdüse verdreht als auch gleichzeitig die Drehgeschwindigkeit der Luft verringert wird.
Eine weitere mögliche Massnahme gemäss der Erfindung besteht darin, dass man eine Düse vorsieht, die ausser Bohrungen für den wandverteilten Kraftstoff eine weitere Bohrung für den luftverteilien Kraft- stoff aufweist, ausder ständig zugleich mit dem wandaufgetragenen Kraftstoffeine gewisse, jedoch kleinere Kraftstoffmenge als die erstere in die im Brennraum verdichtete Luft eingespritzt wird. Hiedurch wird ebenfalls der luftverteilte Kraftstoffanteil beim Anlassen vergrössert und es ergibt sich ausserdem der konstruktive Vorteil, dass eine Dfeamig der Düse in diesem Falle nur noch bedingt oder überhaupt nicht mehr erforderlich ist. Eine geringfügige Erhöhung des luftverteilten Kraftstoffanteils auch im Normalbetrieb kann dabei innerhalb zulässiger Grenzen in Kauf genommen werden.
Soll jedoch auch dies vermieden werden, dann wird nach einem weiteren Merkmal der Erfindung eine Anordnung vorgesehen, bei der die Bohrung für den luftverteilten Kraftstoff unabhängig von den Bohrungen für den wandverteilten Kraftstoff für sich allein steuerbar ist. Hiebei kann der Kraftstoff für die Nebeneinspritzung entweder zusammen mit oder unabhängig von dem Kraftstoff für die Haupteinspritzung den Düsenbohrungen zugeführt werden.
Bei Brennkraftmaschinen mit einem vom Hubraum abgesetzten Brennraumteil und rotierender Luftbewegung in diesem, bei denen der aus der Düse austretende Kraftstoff ausschliesslich in die Verbrennungsluft zerstäubt und mit dieser vor seiner Verdampfung in flüssigem Zustand vermischt wird, ist bereits ein Verfahren bekannt, das darin besteht, den Kraftstoff gegen Ende des Verdichtungshubes in zwei unterschiedlich gerichteten Strahlen im Mit- und Gegenstrom zur Luftdrehung einzuspritzen ; hiebei ist in Ab- hängigkeit von der Maschinendrehzahl bei niedrigerer Tourenzahl die Kraftstoffeinspritzung im Gegenstrom und bei hoher Tourenzahl die Kraftstoffeinspritzung im Mitstrom zur Luftdrehung überwiegend.
Bei dem bekannten Vorschlag handelt es sich jedoch ausschliesslich um eine quantitative Änderung des Ver- teilungsverhältnisses der Gemischbildungskomponenten innerhalb einer stets eingehaltenen Luftverteilung des Kraftstoffes, ohne dass in irgendeinem Arbeits-oder Betriebszeitpunkt an dem reaktionskinetischen Ablauf der Verbrennung selbst grundsätzlich etwas geändert wird. Der aus der Düse austretende Kraftstoff findet niemals eine Wandberührung und wird demgemäss niemals von einem solchen Zustand in einen Zustand ausgesprochener Luftverteilung übergeführt.
Bei nach diesem bekannten Verfahren arbeitenden Brennkraftmaschinen ist es ausserdem üblich eine Einspritzdüse mit mehreren gegebenenfalls selbständig steuerbaren Spritzbohrungen zu verwenden, so dass diese Massnahmen an sich bereits bekannt sind.
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der Zeichnung ist der ErfindungsgegenstandKolben mit im wesentlichen rotationskörperförmigem Brennraum und Einzeichnung der Strahllagen des eingespritzten Kraftstoffes für Normalbetrieb und KaltstartbetriebÏ die Fig. 2a-2c Draufsichten auf einen Zylin- derdeckel mit an sich bekanntem Einlass-Schirmventil unter Andeutung der durch Verdrehung des Schirmes erzielbaren Luftströmungsänderungen ;
Fig. 3 einen Brennraum ähnlich dem in Fig. 1 mit Andeutung des Strahlweges für ein fein zerstäubtes Kraftstoffteilchen unter der Voraussetzung, dass Kraftstoffstrahl und Luftbewegung gleichsinnig gerichtet sind ; Fig. 4 denselben Brennraum wie in Fig. 3 jedoch mit Andeutung des Strahlweges für das gleiche Kraftstoffteilchen unter der Voraussetzung, dass die Luftbewegung dem Kraftstoffstrahl entgegengerichtet ist ; Fig. 5 einen Brennraum wie vorhin genannt, jedoch mit Einzeichnung eines aus einer besonderen Öffnung der Einspritzdüse austretenden Zündstrahles. Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen benannt.
In Fig. 1 ist 1 der Kolbenboden, in dem die den Brennraum bildende Kolbenmulde 2 angeordnet ist.
In dem Ausschnitt 3 der Mündung des. Brennraumes oder der Brennraumöffnung ist die Düse 4 angedeutet, deren Brennstoffstrahl 5 normalerweise auf die Brennraumwand 6 gerichtet ist und dort bei 6a annähernd
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stoffeinspritzung ist. Erfindungsgemäss wird beim Kaltstart durch Drehen der Düse 4 der Brennstoffstrahl 5 in die gestrichelt gezeichnete Lage 8 oder 9 gerichtet, je nachdem, wie der Kraftstoffstrahl der Luftbewegung zugeordnet sein soll. In der Kraftstoffstrahllage 8 ist der luftverteilte Anteil infolge des grossen Strahlweges fast 100 lao, während in der Lage 9 die Kraftstoffstrahlrichtung der Luftbewegung entgegengesetzt ist, wodurch eine kräftige Zerreissung des Kraftstoffstrahles und eine wirkungsvolle Luftverteilung für den Kaltstart herbeigeführt wird.
In Fig. 2 sind die verschiedenen möglichen Beeinflussungen der Lufteinströmrichtung durch Veränderung der Einstellung des Schirmes bei einem an sich bekannten Schirm-Einlassventil veranschaulicht, wobei Fig. 2a die normale oder Betriebsstellungdes Schirmventils zeigt. Das im Deckel 10 des Zylinders angeordnete Schirmventil 11 mit Schirm 12bewirkt in dieser Stellung, dass die durch den Einlasskanal 13 zuströmende Luft 14 im Zuge der gestrichelt angedeuteten Pfeilrichtung 15 in den Zylinder ausströmt, wodurch die erwünschte Drehrichtung in der Pfeilrichtung 16 im Zylinder zustande kommt. Wird der Schirm 12, wie dies in Fig. 2b gezeigt ist, um 90 verdreht, dann kann die Luft sowohl in der Pfeilrichtung 15 als auch in der entgegengesetzten Pfeilrichtung 17 ausströmen und es entsteht keine Drehbewegung mehr im.
Zylinder. Wird schliesslich der Schirm 12 um 1800 gegenüber seiner ursprünglichen Lage verdreht, so kehrt sich der Drehsinn der Luftim Zylinder völlig um, wie dies in Fig. 2c durch die Pfeilrichtung 18 angedeutet ist.
In Fig. 3, deren Brennraum im wesentlichen demjenigen von Fig. 1 entspricht, ist mit 6 wieder die Brennraumöffnung im weiter nicht dargestellten Kolben bezeichnet. Die betriebsmässige Drehbewegung der Luft ist durch die Pfeilrichtung 16 versinnbildlicht. Die Achse eines Kraftstoffstrahles, der aus der Düse 4 auf die Brennraumwand ausgespritzt wird, ist mit 19 bezeichnet. Ein vom Kraftstoffstrahl abgesplittertes Kraftstofftröpfchen 20 möge nun ohne Einflussnahme von Luftkräften die Richtung 21 haben.
Treten nun Luftkräfte im Sinne der durch die Pfeile 16 angegebenen Luftdrehung auf, so wird das Kraftstofftröpfchen 20 auf der punktiert gezeichneten Bahn 20a auf die Brennraumwand 6 zentrifugiert. Wenn sich nun, wie in Fig. 4 dargestellt, die Drehrichtung der Luft entsprechend den Pfeilen 18 umkehrt, dann ändert sich die Bahn des Tröpfchens 20 entsprechend der punktierten Linie 22 und der Kraftstofftropfen legt dabei einen grösseren Weg in der Luft zurück, so dass er während seiner relativ langen Flugzeit chemisch zerfällt und luftverteilt zündet.
In Fig. 5 ist dargest llt, wie ein verbesserter Kaltstart gegebenenfalls auch ohne Drehung der Einspritzdüse mittels eines zusätzlichen Zündstrahles bewirkt werden kann. Mit 6 ist wiederum die Brennraumöffnung bezeichnet und die Drehrichtung der Luft ist unter 16 angegeben. Aus der Düse 4 wird der Haupt- Brennstoffstrahl 5 konstant, d. h. für alle Betriebszustände - also auch beim Kaltstart - auf die Brennraumwand 6aufgetragen. DieDüse4ist jedoch mit einer besonderen Austrittsöffnung 4a versehen, aus der ständig ein weiterer Kraftstoffstrahl 23 als Zündstrahl für den Kaltstart gegen das Zentrum des Brennraumes hin austritt.
Es können dabei weitere Mittel vorgesehen werden, um die Düsenöffnung 4a für sich allein mit Kraftstoff zu versorgen oder sie durch selbständiges Öffnen und Schliessen zu steuern. Der Kraftstoffstrahl 23ist abgesehen davon, dass er die Brennraumwand nicht berührt, ausserdem vorzugsweise noch gegen die Drehrichtung 16 der Luft geführt, so dass eine möglichst starke Luftverteilung ohne Wandberührung stattfindet.