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Luftverdichtende selbstzündende Brennkraftmaschine mit Brennstoffeinspritzung in einen rotationskörperförmigen
Brennraum
Die Erfindung betrifft eine luftverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschine mit Brennstoffeinspritzung in einen, vorzugsweise im Kolben angeordneten, rotationskörperförmigen Brennraum, in dem ein zur Brennraumöffnung schräg liegender gut wärmeableitend ausgebildeter hohler Einsatzkörper angeordnet ist, auf dessen Oberfläche der Brennstoff gespritzt wird.
Zweck der Erfindung ist es, den hier vorgesehenen Brennraum mit einem Einsatzkörper so auszubilden, dass mit ihm eine Gemischbildung über den Umweg einer filmartigen Kraftstoff-Wandauftragung erzielt werden kann, wie sie für eine Einspritzbrennkraftmaschine mit im Kolben angeordneten Brennraum ohne Einsatzkörper an sich bekannt ist.
Bei der bekannten Maschine wird der Kraftstoff in Form eines dünnen Filmes auf die Wandung eines rotationskörperförmigen Brennraumes, der an seiner Öffnung zum Zylinder hin eingeschnürt und völlig hohl ist, aufgebracht und durch eine ihm zugeordnete drehende Luftbewegung allmählich in Dampfform wieder von der Wand abgelöst, mit der Luft vermischt und verbrannt. Die Kraftstoffeinspritzung erfolgt dabei durch einen oder mehrere geschlossene Kraftstoffstrahlen von kurzer freier Strahlweglänge, so dass nahezu keine Luftzerstäubung des Kraftstoffes stattfindet, sondern im wesentlichen nur solcher Kraftstoff mit der Luft zur Vermischung gelangt, der zuvor an der Brennraumwand verdampft wurde.
Wichtig dabei ist, dass die Brennraumwand verhältnismässig kühl gehalten bleibt, d. h. eine Temperatur aufweist, die unter der Zerfallstemperatur des Kraftstoffes, jedoch noch in dessen Siedebereich liegt. Hiedurch werden vorzeitige Zerfallsreaktionen des Kraftstoffes vermieden, welche die Ursache für das bekannte Klopfgeräusch der mit Verdichtungszündung arbeitenden Einspritzbrennkraftmaschine sind.
Bei der bekannten Maschine wird vorzugsweise ein Drallkanal vor dem Einlassventil als rotationserzeugendes Mittel verwendet. Derartige Drallkanäle sind aber strömungstechnisch nicht einfach zu gestalten und ausserdem auch in der Herstellung verwickelt. Wird ein Schirmventil benützt, so ist zwar die Konstruktion einfacher, jedoch der Strömungseffekt nicht in der gleichen Weise wie bei einem Drallkanal befriedigend. Anderseits gibt es Maschinen, bei denen Drallkanäle aus baulichen Gründen nur schwer oder überhaupt nicht im Zylinderkopf unterzubringen sind, oder überhaupt kein Bauelement der Maschine bilden, wie z. B. bei Zweitaktmaschinen. Bei diesen werden meist die Spülkanäle dazu benützt, auch die Ladung des Zylinders mit Frischluft zu übernehmen.
Zwar kann man auch diese Spülkanäle so anordnen, dass sie eine Drehbewegung der Luft im Zylinder herbeiführen, jedoch erleidet hiebei der Drehimpuls bis zu seinem Wirksamwerden gegen Ende des Verdichtungshubes, bei dem die Einspritzung erfolgt, einen erheblichen kinetischen Verlust, so dass eine wirksame Ablösung des Kraftstoffes von der Brennraumwand nicht zu erwarten ist. Anderseits wäre es wiederum erwünscht, das Gemischbildungsprinzip der eingangs erwähnten bekannten Maschine auch bei solchen Brennkraftmaschinen zur Anwendung zu bringen, bei denen die Erzeugung einer drehenden Luftbewegung auf Schwierigkeiten stösst.
Die Erfindung schafft hier Abhilfe. Ihr liegt der Gedanke zugrunde, dass in dem Brennraum ein Einsatzkörper angeordnet ist, welcher einerseits eine Verdampfung des Kraftstoffes unter den geschilderten Voraussetzungen zulässt und anderseits den Verzicht auf eine drehende Luftbewegung gestattet, so dass z. B. blosse Quetschluftströmung bereits zur Ablösung des Kraftstoffilmes genügt.
Derartige Einsatzkörper in Brennräumen von Brennkraftmaschinen sind zwar an sich bekannt, jedoch
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nur in der Ausbildung als sogenannte Glüheinsätze, die den Zweck haben, den Kraftstoff an dem mög- lichst heiss gehaltenen Glüheinsatz zu verdampfen. Der Kraftstoff wird dabei üblicherweise an der Oberfläche des Glüheinsatzes vorbeigespritzt. Es ist auch eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der der Kraftstoff tangential auf den Glüheinsatz aufgespritzt wird, jedoch ist auch hier die Anordnung so, dass der Wärmeübergang vom Einsatzkörper auf den Kolben soweit als möglich unterbunden wird, damit der Glüheinsatz stets heiss bleibt.
Ausserdem wird bei dieser bekannten Anordnung der Brennstoff in einer dem Einspritzstrahl zuliegenden konkaven Mulde des Einsatzkörpers aufgefangen, was zu einer Anhäufung von Kraftstoff in der Mulde führt, welche eine Filmbildung ausschliesst. Die nahezu senkrecht auf die Mulde gelangte Verbrennungsluft findet auf diese Weise auch keine Gelegenheit, den Kraftstoff im Zuge seiner Verdampfung abzulösen, sondern es bilden sich Kraftstoffdampfkonzentrationen in der Mulde bzw. im nächsten Bereich des Einsatzkörpers, die bei Erreichung der Zündtemperatur zu einer schlagartigen Verbrennung führen, wodurch auch hier die bekannten und gefürchteten Klopferscheinungen nicht zu vermeiden sind.
Demgegenüber wird durch die Erfindung eine Lösung angegeben, welche die vorstehenden Mängel beseitigt. Das Wesen der Erfindung besteht nach ihrem Hauptmerkmal darin, dass der Einsatzkörper an seiner der Brennraumöffnung und Einspritzdüse zugekehrten Seite eine in Richtung der Längsachse des Ein- satzkörpersverlaufende, konvexe Auftreff-Oberfläche für den Kraftstoff aufweist, auf die der Kraftstoff in an sich bekannter Weise bei kurzer freier Strahlweglänge derart flach aufgespritzt wird, dass sich dort in Richtung der Längsachse des Einsatzkörpers ein dünner Kraftstoffilm ausbreitet, wobei die Oberfläche des Einsatzkörpers auf der an sich bekannten Temperatur gehalten wird, die noch keinen chemischen Zerfall der Kraftstoffmoleküle zulässt, jedoch noch im Siedebereich des Kraftstoffes liegt,
und dass weiterhin die Brennraumöffnung im wesentlichen der Projektion der vom Kraftstoff bei Vollast benetzten Fläche des Einsatzkörpers auf eine senkrecht zur Zylinderachse verlaufende Ebene entspricht.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Brennraum in seiner Längsmittenebene in an sich bekannterWeise im wesentlichen elliptisch geformt und schräg zur Zylinderachse angeordnet, wobei die Längsachse der Ellipse etwa den gleichen Winkel mit der Zylinder-bzw. Kolbenachse einschliesst wie die Längsachse des Einsatzkörpers, während der Brennraum in seiner Querschnittsmittenebene rund oder oval ist.
Zur Erzielung einer wirksamen Luftströmung ist nach einem andern Merkmal der Erfindung vorgesehen, dass die Breite der Brennraumöffnung innerhalb der auf eine senkrecht zur Zylinderachse verlaufende Ebene projizierten Breite des Einsatzkörpers liegt.
Um den Wärmeübergang vom Einsatzkörper zum Kolben oder Zylinderkopf noch zu erhöhen, ist weiterhin erfindungsgemäss vorgesehen, dass der Hohlraum des Einsatzkörpers eine an sich bekannte wärmeableitende Teilfüllung, z. B. aus Natrium, Quecksilber oder einem geeigneten Metallsalz, aufweist, die gegebenenfalls mit einer gleichartigen Teilfüllung an der Innenseite des Kolbenbodens in Verbindung steht. Der Kolbenboden kann ausserdem zur Unterstützung der Wärmeableitung mit Öl angespritzt werden, wie dies gleichfalls an sich bekannt ist. Da anderseits die Kolbenringe vor zu grosser Erwärmung geschützt bleiben müssen, sind dieselben in an sich bekannter Weise durch zwischen ihnen und der Brennraumwand angeordnete wärmedämmende Einsatzkörper abgeschirmt.
Die Zuordnung der Luftbewegung zu der vom Kraftstoff benetzten konvexen Fläche des Einsatzkörpers wird weiterhin erfindungsgemäss dadurch unterstützt, dass in der Brennraumöffnung Leitschaufeln angeordnet sind, die den beim Verdichtungshub durch die Brennraumöffhung übertretenden Luftstrom unterteilt verschiedenen Zonen der kraftstoffbenetzten Einsatzkörperfläche zuleiten.
Die Erfindung ist nicht auf Brennräume im Kolben beschränkt ; sie kann sinngemäss mit gleichem Vorteil auch auf Brennräume im Zylinderkopf angewendet werden.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dargestellt.
Hiebei zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Kolben einer Brennkraftmaschine mit rotationskörperförmigem Brennraum und darin angeordnetem Einsatzkörper, Fig. 2 einen Längsschnitt des Brennraumes für sich allein, Fig. 3 eine Draufsicht auf den Kolben in der Brennraumöffnungsebene, Fig. 4 einen Querschnitt durch den Einsatzkörper längs der Linie A-A der Fig. 1.
Im Kolben 1 einer weiter nicht dargestellten Einspritzbrennkraftmaschine ist der rotationskörperför- mige Brennraum 2 angeordnet, welcher im Vertikal- oder Längsschnitt gemäss Fig. 1 angenähert elliptisch und im Querschnitt gemäss Fig. 3 etwa oval ausgebildet ist. Der Brennraum 2 liegt vorzugsweise um einen Abstand d versetzt exzentrisch zur Zylinder- bzw. Kolbenachse x-x und ist zu dieser geneigt angeordnet, wobei die grosse Achse y-y der Ellipse mit der Kolbenachse x-x einen Winkel ce einschliesst.
Der Brennraum 2 ist mit dem durch den Spalt 3 angedeuteten Zylinderraum durch die Brennraumöffnung 4 verbunden. Der Zylinderkopf ist lediglich durch die Begrenzungslinie 5 angedeutet.
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Schrägliegend zur Brennraumöffnung 4 ist im Brennraum 2 der Einsatzkörper 6 angeordnet, welcher an seinen Einsatzstellen 7,8 im Kolbenmaterial verankert ist. Diese Einsatzstellen sind erfindungsgemäss grossflächig ausgebildet, um einen guten Wärmeübergang vom Einsatzkörper zum Kolbenmaterial zu schaffen. Der Einsatzkörper 6 durchquert den Brennraum 2 derart, dass seine Längsachse etwa mit der gro- ssen Achse y-y der elliptischen Umrissbegrenzung des Brennraumes 2 in Fig. 1 zusammenfällt, d. h. der Einsatzkörper besitzt etwa die gleiche Neigung a zur Kolben-bzw. Zylinderachse wie diese Ellipse.
Wie aus Fig. 4 zu ersehen, ist der Einsatzkörper 6 an seiner der Brennraumöffnung 4 zuliegenden Seite so ausgebildet, dass er dem aus der Einspritzdüse 9 auf ihn gespritzten Kraftstoff eine kraftstoffableitende, vorzugsweise konvexe Oberfläche 10 darbietet, die zusammen mit dem Boden 11 des Einsatzkörpers einen angenähert mondförmigen Querschnitt bildet.
Wie Fig. 3 zeigt, hat der Einsatzkörper 6 eine relativ grosse Breite, um dem Kraftstoff eine ausreichende Benetzungsfläche darzubieten. Aus der Düse 9 ist ein im wesentlichen geschlossener Kraftstoffstrahl 12 unter spitzem Auftreffwinkel ss derart tangential auf die konvexe Fläche 10 des Einsatzkörpers 2 gerichtet, dass sich der Kraftstoff dort in Form eines dünnen Filmes 13 ausbreitet. Die Brennraumöffnung4 hat dabei eine Umrissform 4a, welche innerhalb der in die Brennraumöffnungsebene projizierten Umrisskontur der vom Kraftstoff benetzten konvexen Oberfläche 10 liegt, jedoch eine geringere Breite b'als die Breite b des Einsatzkörpers 6 aufweist.
Auf diese Weise gelingt es, insbesondere bei der vorgesehenen exzentrischen Anordnung des Brennraumes, einen zusammengeballten Luftstrom auf die vom Kraftstoff benetzte Einsatzkörperfläche 11 hinzulenken, dem eine hohe, gerichtete kinetische Bewegungsenergie innewohnt, so dass der Kraftstoffilm an der konvexen Fläche 11 im Zuge seiner Verdampfung in wirksamer Weise abgelöst und nach dem unter bzw. hinter dem Einsatzkörper 6 liegenden Brennraumteil mitgenommen, vermischt und alsdann verbrannt wird. Die Lenkung der beim Verdichtungshub übergeschobe- nen Luft kann noch durch in der Brennraumöffnung angeordnete Leitschaufeln 14 unterstützt werden, welche den Luftstrom unterteilt auf bestimmte Zonen der mit Kraftstoff benetzten Einsatzkörperfläche hinlenken.
Um eine hohe Wärmeableitung vom Einsatzkörper 6 zu gewährleisten, kann dieser mit einer kanalartigen Aushöhlung 15 versehen sein, die mit einem bei hohen Temperaturen flüssigen und gut wärmeableitenden Stoff, wie z. B. Natrium, Quecksilber oder einem geeigneten Metallsalz angefüllt ist. Eine mit demselben wärmeableitenden Stoff gefüllte Aushöhlung 16 kann längs der Innenseite des Kolbenbodens angeordnet sein, wobei die Aushöhlungen 15, 16 zweckmässig miteinander verbunden sind. Durch die Pfeile 17 ist angedeutet, dass zusätzlich die Wärmeableitung auch noch durch Anspritzen der Kolbenbodeninnenseite unterstützt werden kann. Dagegen sind die Kolbenringe 18 durch zwischen ihnen und der Brennraumwand angeordnete wärmedämmende Einsatzkörper 19 gegen übermässigen Wärmezutritt abgeschirmt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Luftverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschine mit Brennstoffeinspritzung in einen, vorzugsweise im Kolben angeordneten, rotationskörperförmigen Brennraum, in dem ein zur Brennraumöffnung schräg liegender gut wärmeableitend ausgebildeter hohler Einsatzkörper angeordnet ist, auf dessen Oberfläche der Brennstoff gespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatzkörper (6) an seiner der Brennraumöffnung (4) und Einspritzdüse (9) zugekehrten Seite eine in Richtung der Längsachse des Einsatzkörpers verlaufende, konvexe Auftreff-Oberfläche (10) für den Kraftstoff aufweist, auf die der Kraftstoff in an sich bekannter Weise bei kurzer freier Strahlweglänge derart flach aufgespritzt wird, dass sich dort in Richtung der Längsachse des Einsatzkörpers ein dünner Kraftstoffilm ausbreitet,
wobei die Oberfläche des Einsatzkörpers auf der an sich bekannten Temperatur gehalten wird, die noch keinen chemischen Zerfall der Kraftstoffmoleküle zulässt, jedoch noch im Siedebereich des Kraftstoffes liegt, und dass weiterhin die Brennraumöffnung im wesentlichen der Projektion der vom Kraftstoff bei Vollast benetzten Fläche des Einsatzkörpers auf eine senkrecht zur Zylinderachse verlaufende Ebene entspricht.