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Brennkraftmaschine mit lokalisierter Selbstzündung des
Kraftstoff-Luftgemisches
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit lokalisierter Selbstzündung des direkt in einen Brennraum bekannter, toroid- oder birnenförmiger Gestalt eingespritzten Kraftstoffes, wobei dieser Brennraum entweder im Kolben oder im Zylinderkopf zu deren Achsen symmetrisch oder auch versetzt angeordnet ist und im oberen Totpunkt des Kolbens nahezu die gesamte angesaugte, um die Zylinderbzw. Brennraumachse zum Kreisen gebrachte Verbrennungsluft aufnimmt und bei welcher der gegen die Brennraumwand gespritzte Kraftstoff aus einer zur Brennraumachse versetzten und auch geneigten Mehrlochdüse aus nur einer Düsenbohrung auf die relativ heisseste Stelle der Brennraumwand in unmittelbarer Nähe der von ihr und dem Kolben- bzw.
Zylinderboden gebildeten Kante der eingeschnürten Verbindungs- öffnung zwischen Brenn- und Zylinderraum trifft, u. zw. so, dass dabei der Kraftstoff aus einem Teilabschnitt des Mantelumfanges dieses betreffenden Strahles mit der kürzesten freien Strahllänge auch in den Spalt zwischen Kolben und Zylinderkopf der in den Brennraum einströmenden Luft teilweise entgegen eindringt.
Ein Kennzeichen für dieses bekannte Einspritzsystem ist der Umstand, dass hiebei die Kraftstoffstrah- len ausschliesslich im Sinne der Luftdrehung ausgerichtet sind.
Der Stand der Technik kennt die Vorteile dieses teilweisen Überspritzens des Brennraumrandes mit einer kleinsten Kraftstoffmenge aus dem Mantel eines von mehreren Kraftstoffstrahlen welches Überspritzen eine hohe Luftausnutzung, d. h. hohe Mitteldrücke auf den Kolben an der Rauchgrenze und vor allem eine klopffreie Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches zur Folge hat, da der Kraftstoff ausschliesslich im Sinne der um die Brennraumachse kreisenden Luftströmung in diese eingespritzt wurde.
Bei dieser bekannten Kraftstoffeinspritzung in Richtung der kreisenden Luftströmung ist es aber in kon- struktiver Hinsicht von grossem Nachteil, dass man bei Verwendung von Düsen, die einheitlich den Kraftstoff nur nach einer Seite hin in denBrennraum (eben im Sinne der Luftdrehung) einspritzen, in jedem Zy- linder die Luft im Einspritzsinne kreisen lassen muss. Dies macht an einem Mehrzylindermotor notwendig, entweder für jeden Zylinder einen getrennten Zylinderkopf mit einem im gleichen Sinne ausmündenden Saugkanal zu verwenden (bei Wasserkühlung und kleinen Zylinderabständen recht umständlich auszuführen), oder aber bei für mehrere Zylinder gemeinsamen Zylinderköpfen mit für zwei benachbarte Zylinder gemeinsamen Einlasskanalstutzen Ansaugventile mit gegen Verdrehung gesicherten Schirmen anzuordnen.
Diese verteuern den Motor und sind der Haltbarkeit der Ventilsitze nur abträglich.
Die Erfindung beseitigt in der Erkenntnis, dass es weniger auf eine mit der Luftdrehung gleichsinnige Einspritzung, als vielmehr auf merkliche Temperaturunterschiede an den Auftreffstelle der Kraftstoffstrahlen auf der Brennraumwand ankommt, diesen obigen Nachteil, und ermöglicht bei gleicher Verbren- nungsgüte (d. h. beihohenKolben-Mitteldrilckenander Rauchgrenzeund einem klopffreien Verbrennungablaui) die Anwendung obiger Grundsätze auch auf Motoren solcher Konstruktion, bei welchen der Brennraum aus der Zylinderachse derart aussermittig versetzt ist, dass sich in ihm noch ein nahezu symmetri- schesStrömen der Luftfüllung in welcher Drehrichtung immer um seine Achse erhält.
Nach der Erfindung wird eine Mehrlochdüse verwendet, deren Bohrungen in bekannter Weise zur Düsenachse symmetrisch und über den Umfang gleichmässig verteilt sind, wobei aber die Achsen dieser Düsenbohrungen räumlich so angeordnet sind, dass die Achse der der Brennraumkante zunächst liegenden Düsenbohrung auf kürzeste Ent-
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fernung nahezu senkrecht zur Strömungsrichtung der Luft gegen diese Brennraumkante gerichtet ist, woge- gen die Achsen der übrigen Düsenbohrungen auf zunehmend grössere Entfernungen die Brennraumwandung an tiefer im Brennraum liegenden Stellen durchdringen, an welchen sie mit dieser Wandung sowohl im Sinne als auch gegen den Sinn der Luftströmung einen Einfallwinkel, der kleiner oder höchstens 900 ist, einschliessen.
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2,5 fache Länge des kürzesten (Zünd-) Strahles.
Gemäss weiteren Merkmalen der Erfindung ist die Achse der Einspritzdüse so zur Brennraumachse ge-
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die dem Zündstrahlwandstellen auftreffen, deren Temperaturen in umgekehrtem Verhältnis zur Strahllänge Åabnehmen.
Bei insbesondere im Zweitakt arbeitenden Brennkraftmaschinen mit einem Brennraum im Zylinderkopf und schwacher Luftbewegung um die Brennraumachse, überspritzt erfindungsgemäss der kürzeste aller Kraftstoffstrahlen (Zündstrahl) denBrennraumrand höchstens mit der Hälfte seines Mantels. Weitere Selbst- zündungsherde würden nämlich den klopffreien Verbrennungsablauf ungünstig beeinflussen.
DeshalbführtdieErfindungeinMassfüreinevorteilhafteaussermittigeVersetzunge'derDüsege-
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der Brennraumachse an,je nach der Temperatur im Rande der Verbindungsöffnung des Brennraumes mit dem Raume über dem Kolben zweckmässig in den Grenzen von 1, 1 bis 1, 5 gewählt wird, r den Halbmesser dieser Verbindungs- öffnung und ss den Winkel zwischen zwei benachbarten Kraftstoffstrahlen einer zumeist symmetrisch gebohrten Mehrlochdüse, gemessen in Winkelgraden nach der Formel :
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worin i die Gesamtzahl der Düsenöffnungen bezeichnet.
Der Winkel ex der Düsenhalterneigung wird nach den Abmessungen des Brennraumes und den Konstruktionsgrundsätzen festgelegt, wie sie in der Beschreibung der Erfindung angeführt sind, vor allem vom Gesichtspunkte aus, dass die dem Zündstrahl benachbarten Kraftstoffstrahlen auf Brennraumwandstellen von merklich niedrigerer Temperatur auftreffen sollen. Deshalb kann der Winkel a unter Umständen auch negativ, d. h. zur Brennraumachse gewählt werden, insbesondere bei flacheren Brennräumen.
Eine derartige Lage des Einspritzventiles und seiner Düse zur Brennraumachse macht es nach der Er-
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dieser wieder gegenüber der Richtung seiner aussermittigen Versetzung gesichert werden.
Die Erfindung wird im folgenden an beispielsweisen Ausführungsformen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigt Fig. l und 2 die Anordnung des Einspritzventiles nach der Erfindung für einen toroidförmigen Brennraum im Kolben und Fig. 3 und 4 für einen solchen Brennraum im Zylinderkopf.
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zesten) Zündstrahles 3 auf den Rand 4 der Wandung 5 des Brennraumes entspricht, wobei dieser Rand 4 von einer kleinsten Menge des Kraftstoffes aus dem Mantel des Zündstrahles 3 an der Stelle 6 überspritzt wird. Der Brennraum 5 kann auch die bekannte Form einer Birne aufweisen, d. h.. im Unterteil die Form eines strichliert angedeuteten Rotationsellipsoides mit einem aufgesetzten Kegelstumpf, der mit dem Kolbenboden 8 des Kolbens 1 eine scharfe Kante 4 bildet.
Bei rotationsförmigen Brennräumen kann diese Kante 4 auch durch einen zylinderförmigen, kegel- förmigen oder auch abgerundeten Hals ersetzt werden, ohne dass die von der Erfindung beabsichtigte Wir- kung beeinträchtigt wäre. Es liegt eben nur an einem kleinsten Überspritzen des Randes 4 der Brennraumwand 5. Die Temperatur im Rande 4 hängt nicht von der Form des Randes, ab, sondern im we- sentlichen nur vom Verhältnis des grössten Brennraumdurchmessers zum Durchmesser der Verbindungsöffnung (2 r). Deshalb ist die Form des Brennraumhalses bei kleiner Halshöhe fast ohne Bedeutung für den Zündvorgang. Wichtig ist nur, dass die einströmende Luft eine merkliche Komponente entgegen der Richtung des Zündstrahles aufweist, was meisten der Fall ist.
Das Einspritzventil 9 im Zylinderkopf ist in der Ebene und Richtung seiner Versetzung gegenüber der Brennraumachse in vorteilhafter Weise um den Winkel a derart geneigt, dass für die optimale Lage der dem Zündstrahl 3 benachbarten Kraftstoffstrahlen 10 eine aus Erzeugungsgründen, wie auch aus GründeneinesfürjedenKraftstoffstrahl gleichen Einspritzgesetzes zur Düsenachse 11 symmetrische Anordnung der Ausspritz-Düsenbohrungen gewählt werden kann. Die optimale Anzahl, Lage und Grösse der Bohrungen der Kraftstoffstrahlen 10 einschliesslich des Zündstrahles 3 werden von den Abmessungen des Brennraumes, der Intensität der Luftströmung in ihm und von der Einspritzeinrichtung selbst bestimmt.
SobaldderZündstrahl 3 dieBrennraumwand 5 erreicht, sind die übrigen Kraftstoffstrahlen 10 von dieser Wand 5 noch um eine Zeitspanne entfernt, die der Versetzung der Düse bei gegebener Strahlgeschwindigkeit im verdichteten Medium entspricht. Bevor diese Strahlen 10 auf die Brennraumwand 5 auftreffen, wo sie sich erst bei der heftigen Luftströmung entzünden können, hat bereits der Zündstrahl 3 das Gemisch von einem Punkte 6 seines Mantels aus gezündet. Die Zündflamme breitet sich durch die Luftströmung bevorzugt in deren Richtung auf die übrigen Strahlen 10 aus. Die Richtung der Luft- strömung ihres Kreisens um die Brennraumachse, ist in den beiden Fig. 1 und 2 durch einen spiralförmigen Pfeil 12 gekennzeichnet.
Die aussermittige Versetzung e des Brennraumes 5 darf ein gewisses Mass nicht überschreiten, das durch die Forderung nach der Erhaltung der Luftströmung um die Brennraumachse bei kleinstmöglichen Radialkomponenten gegeben erscheint. Eine weitere Versetzung der Einspritzdüsenachse 11 ist durch die oben erwähnte Bedingung gegeben, dass der längste Kraftstoffstrahl 10 im äussersten Falle die 2, 5faehe freie Strahllänge des Zündstrahles 3 aufweisen darf.
Die Fig. 3 und 4 bringen nach der Erfindung ein Beispiel für die Anordnung des Brennraumes 5 im Zylinderkopf 13. Dieses Beispiel bezieht sich auf einen Zweitaktmotor, bei welchem'keine Ventile der Unterbringung des Brennraumes 5 im Zylinderkopf 13 entgegenstehen und bei dem das Spülsystem eine mehr oder weniger grosse Drehung der Luft um die Brennraumachse in diesem Brennraume ermöglicht.
Der Unterschied zwischen den Fig. 3 und 4 und den Fig. 1 und 2 besteht im gegebenen Falle, der nureine von mehreren möglichen Alternativen der Erfindungsanwendung darstellt, darin, dass sich gemäss den Fig. 3 und4 alle Kraftstoffstrahlen in einer konstanten relativen Lage zum Brennraumrande 4 befinden.
Bei der Bestimmung des Winkels Ci der Düsenhalterachse 11 ist es notwendig, eben von dieser kon- stanten Relativlage auszugehen. Der Zündstrahl 3 überspritzt auch hier den Rand 4 des kurzen Hal- ses des Brennraumes 5. womit ein kleiner Kraftstoffanteil seines Strahlmantels der überströmenden Luft entgegen direkt auf den Boden 8 des Kolbens l gespritzt wird, welcher Boden 8 mit Rücksicht auf die besonders hohe Wärmebeanspruchung im 2-Takt-Betrieb (mit möglichst kleiner Oberfläche) gewählt ist, aber trotzdem vor allem. gegen die Mitte zu so hohe Temperaturen aufweist, dass eine bevorzugt ra-
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Entzündung der überspritzten Kraftstoffmenge aus dem Mantel des Zündstrahleskühlten Brennraumwand 5 auf, u. zw.
ausschliesslich innerhalb des Brennraumes 5, ohne Kraftstoffanteile in den Spalt zwischen Zylinderkopf 13 und Kolbenboden 8 gelangen zu lassen.
Wenn nur ein schwaches Kreisen der Luft um die Brennraumachse zustande kommt und diese nicht mit der Zylinderachse zusammenfällt-es soll beides mit Rücksicht auf einen guten Spülwirkungsgrad klein gehalten werden-empfiehlt es sich, dem Düsenhalter erfindungsgemäss eine solche Neigung zu geben, dassauchdieübrigenKraftstoffstrahlen 10 abernurunmerklich, d. h. beträchtlichweniger als der Zünd-
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gleichen, oben angeführten Richtlinien festgelegt, wobei es ratsam erscheint, bei nur schwacher Luftbe- wegung eine grössere Anzahl von Kraftstoffstrahlen vorzusehen, von denen abermals der mit der kürzesten freien Strahllänge 3 zuerst und der mit der längsten, 10, zuletzt zur Zündung kommen soll.
Durch eine derartige Steuerung des Zündvorganges der einzelnen Kraftstoffstrahlen lässt sich allerdings nicht der gleiche Grad von Klopffreiheit des Verbrennungsvorganges und die gleiche Verbrennungsgüte (Mitteldruck an der Rauchgrenze) erreichen, wie etwa bei intensivem Kreisen der Luftfüllung um die Brennraumachse und gleichzeitigem Überspritzen des Brennraumrandes 4 durch nur einen von mehreren Kraftstoffstrahlen, wie in einem 4-Takt-Motor mit Brennraum im Kolben. Aber auch diese Lösung mit dem Brennraum im Zylinderkopf bietet eine merkliche Absenkung des Verbrennungsgeräusches bei noch sehr hohen Mitteldrücken auf den Kolben an der Rauchgrenze bzw. bei noch sehr vorteilhaften Kraftstoffverbräuchen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. BrennkraftmasehinemitlokalisierterSelbstzündungdesdirektin einen Brennraum bekannter toroid- oder birnenförmiger Gestalt eingespritzten Kraftstoffes, wobei dieser Brennraum entweder im Kolben oder im Zylinderkopf zu deren Achsen symmetrisch oder auch versetzt angeordnet ist und im oberen Totpunkt des Kolbens nahezu die gesamte angesaugte, um die Zylinder- bzw. Brennraumachse zum Kreisen gebrachte Verbrennungsluft aufnimmt, und bei welcher der auf die Brennraumwand gespritzte Kraftstoff aus
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lativ heisseste Stelle der Brennraumwand in unmittelbarer Nähe der von ihr und dem Kolben-bzw.
Zylin- derboden gebildeten Kante der eingeschnürten Verbindungsöffnung zwischen Brenn-und Zylinderraum trifft u. zw. so, dass dabei der Kraftstoff aus einem Teilabschnitt des Mantelumfanges dieses betreffenden Strahles mit der kürzesten freien Strahllänge auch in den Spalt zwischen Kolben und Zylinderkopf der in den Brennraum einströmenden Luft teilweise entgegen eindringt, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrlochdüse (9) ihre Bohrungen in bekannter Weise zur Düsenachse (11) symmetrisch und über den Um-
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gleichmässig verteilt hat,dass die Achse der der Brennraumkante (4) zunächst liegenden Düsenbohrung auf kürzeste Entfernung nahezu senkrecht zur Strömungsrichtung der Luft gegen diese Brennraumkante (4) gerichtet ist,
wogegen die Achsen der übrigen Düsenbohrungen auf zunehmend grössere Entfernungen die Brennraumwandung (5) an tiefer im Brennraum liegenden Stellen durchdringen, an welchen sie mit dieser Wandung (5) sowohl im Sinne als auch gegen den Sinn der Luftströmung einen Einfallwinkel, der kleiner oder höchstens 900 ist. einschliessen.