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Luftverdichtende Einspritzbrennkraftmaschine mit einer Zündvorrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine luftverdichtende Einspritzbrennkraftmaschine mit einer Zündvorrichtung, die als Zündquelle eineGlüh- oder Zündkerze und einen die Zündquelle mit Abstand umgebenden oder ihr vorgelagerten vorzugsweise zylindrischen Mantel aufweist, der an seinem unteren, dem rotationskörperförmigen Brennraum zugewendeten Ende offen ist.
Wird hier als Zündquelle eine Glühkerze verwendet, dann kommt ein elektrisch beheizter Glühstift oder eine Glühspirale in Frage. Im Falle der Verwendung einer Zündkerze ist diese als eine elektrische Funkenstrecke ausgebildet. Dabei ist die Zündquelle nicht etwa alleinig für den Anlassvorgang der Maschine vorgesehen, die danach mit Selbstzündung läuft. Vielmehr wird eine solche Zündvorrichtung bei einem sogenannten Vielstoffmotor, unter Berücksichtigung der Zündunwilligkeit schwersiedender Kraftstoffe, ebensogut für alle Betriebszustände, also in Dauerbetrieb eingesetzt.
Bekanntlich gehört zu den Massnahmen bei der Durchführung eines der bei luftverdichtenden Einspritzbrennkraftmaschinen jeweils vorgesehenen verbrennungsmotorischen Verfahren die Erzeugung einer besonderen Luftströmung bzw. eines besonderen Luftwirbels im Brennraum. Hiebei besteht aber die Gefahr, dass die Zündquelle des Motors durch den an ihr vorbeistreichenden Luftstrom an ihrer Oberfläche so stark abgekühlt wird und dann nach erfolgter Einspritzung des Kraftstoffstrahles die Temperatur dieser Zündquelle nicht mehr genügend hoch ist, um das brennbare Gemisch mit Sicherheit zu zünden.
Um das zu vermeiden, weist die Zündquelle eine eingangs beschriebene, an sich bekannte Ummantelung auf, durch welche die eigentliche Zündquelle einer unmittelbaren Umströmung der Verbrennungsluft entzogen wird, so dass ihre erforderliche Zündtemperatur bei allen Betriebszuständen des Motors wie auch bei sehr kalter Ansaugluft aufrecht erhalten bleibt.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Wirkungsweise einer solchen Zündvorrichtung auf ein von den herkömmlichen Verbrennungsverfahren abweichendes Einspritz- und Gemischbildungsverfahren und auf die dadurch bedingten Erfordernisse so abzustellen, dass an der Zündquelle bei allen Belastungsverhältnissen günstige Mischungsverhältnisse für die Entflammung geschaffen werden.
Ausserdem soll auch die aus der Zündvorrichtung austretende Zündflamme gegen eine Zone des Brennraumes gerichtet sein, in der sich im Verlauf des Einspritzvorgangs ein zündfähiges Gemisch aus aufgedampftem Kraftstoffilm und Luft aufgebaut hat, u. zw. erfindungsgemäss bei einer bekannten Ausführung, deren Kraftstoffeinspritzung so erfolgt, dass der flüssige Kraftstoff mit einem oder mehreren Strahlen zu seinem Hauptteil als dünner Film auf die Wand des im Kolben oder Zylinderkopf angeordneten Brennraumes reflexionsfrei aufgebracht und zugleich der einströmenden Luft eine solche Drehbewegung um die Zylinderlängsachse erteilt wird, dass hiedurch der Kraftstoff in Dampfform von der Wandung allmählich abgelöst, mit der Luft vermischt und verbrannt wird.
Erfindungsgemäss sind der dem Brennraum zugewendeten Öffnung des die Zündquelle umgebenden Mantels Ablenkelemente in Form eines oder mehrerer Leitkanäle oder Ablenkschaufeln vorgelagert, wodurch Teile des Kraftstoffilms bzw. Kraftstofftröpfchen in den vom Mantel umgebenen Raum und danach
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zur eigentlichen Zündquelle gelangen und dort eine Zündflamme bilden. Ausserdem beginnt der das Ablenkelement bildende Leitkanal etwa in der Brennraummittelebene und liegt im Bereich der Filmauftragung.
Diese so abgelenkten Kraftstoffteilchen vermischen sich teils mit der im Zwischenraum vorhandenen, von der Zündquelle hoch erhitzten Luft, teils treffen sie direkt auf die Zündquelle auf und entzünden sich.
Aus der Mantelöffnung schiesst dann eine Zündflamme in den Brennraum ein, welche das aus dem Kraftstoffilm aufgedampfte Kraftstoffdampf-Luftgemisch durchdringt und mit Sicherheit entzündet.
Eine derartig ausgebildete Zündeinrichtung kann hinsichtlich ihrer Wirkungsweise noch verbessert werden, wenn eine zweite Zündflamme oder mehrere solcher Teilflammen erzeugt werden, die in eine bestimmte Zone innerhalb des Brennraums, beispielsweise dorthin gerichtet sind, woselbst sich auf Grund vorheriger Untersuchungen über die Strömungs- und Gemischbildungsverhältnisse bei der jeweils vorgesehenen Form des Brennraumes die für den Beginn der Verbrennung günstigste Gemischbildungszone aufbaut.
In diesem Zusammenhang weist nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung der Mantel der Zündvorrichtung auf seinem der rotierenden Luftströmung abgewendeten Umfangsteil im Bereich seines freien Endes einen oder mehrere Verbindungskanäle zum Brennraum hin auf.
Ein Teil des im Mantelzwischenraum entzündeten Kraftstoffluftgemisches kann dann in Form eines oder mehrerer kleiner Zündflammen zusätzlich in die vorgesehene Brennraumzone bzw. Brennraumzonen eindringen. so dass das gesamte, durch die Aufdampfung des Kraftstoffilms gebildete Gemisch an verschiedenen Stellen, also mehrfach entzündet wird. Da die Achse der Hauptöffnung der Zündvorrichtung parallel zur Brennraumlängsachse liegt und die Achse bzw. die Achsen der seitlichen Zusatzbohrungen des Mantels senkrecht bzw. angenähert senkrecht zur Brennraumlängsachse stehen, ist an den einzelnen seitlichen Öffnungsmündungen infolge der Umströmung des Mantels der Zündvorrichtung jeweils eine statische Drucksenkung gegenüber der Hauptöffnung vorhanden, durch die der Kraftstoffeintritt in die Hauptöffnung begünstigt wird.
Die zusätzlichen Bohrungen im Mantel können je nach Notwendigkeit in besonderer Gruppierung oder Reihenfolge angeordnet werden.
Es wurde bereits früher, wenn auch in einem andern Zusammenhang vorgeschlagen, den Kraftstoff unter Umständen durch einen oder mehrere im Kolben angeordnete geschlossene Kanäle in den Brennraum einzuspritzen. Auch in diesem Fall kann die Zündvorrichtung angewendet werden, wenn gemäss einem weiteren Vorschlag der Erfindung zwischen einem an sich bekannten Einspritzkanal und dem Arbeitszylinder eine Verbindungsbohrung vorgesehen ist, in welche die Zündvorrichtung bei Annäherung des Kolbens an seiner oberen Totpunktstellung noch vor Einspritzbeginn eintaucht, und dass eine in den Kraftstoffstrahl ragende Schaufel od. dgl. vorgesehen ist, welche die Kraftstoffteilchen gegen die Zündvorrichtung sowie in den durch den Mantel gebildeten Zwischenraum ablenkt.
In dem durch den Mantel und die eigentliche Zündquelle gebildeten Zwischenraum sowie im restlichen Raum der Verbindungsbohrung ist vom Kompressionshub her noch genügend Luft aufgespeichert, damit die Zündung durch das dort vorhandene abgelenkte Kraftstoff-Luftgemisch eingeleitet werden kann.
Die so gebildeten Brenngase strömen dann zusammen mit dem Kraftstoffstrahl in den eigentlichen Brennraum ein, um dort das aus dem Kraftstoffilm aufgedampfte Gemisch zu entzünden.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sind in den Zeichnungen in einigen Ausführungsbeispielen schematisch dargestellt. Es zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Zylinder einer Einspritzbrennkraftmaschine mit einem im Kolben angeordneten Brennraum, Fig. 2 eine Draufsicht auf den Kolben mit Darstellung der Zündvorrichtung, Fig. 3 eine Draufsicht auf den Kolben mit einem Kraftstoffstrahlkanal, Fig. 4 einen Längsschnitt in Richtung der Linie B-B nach Fig. 3 und Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine Zündkerze mit Funkenstrecke.
Mit 1 (Fig. 1 und 2) ist der obere Teil des Zylinders einer Einspritzbrennkraftmaschine bezeichnet, in deren Zylinder der Kolben 2 auf-und abgleitet. Im Kolben 2 ist der Brennraum 3 angeordnet, der hier ein Rotations-Ellipsoid bildet und eine gegen den Arbeitszylinder 4 gerichtete beliebige Öffnung 5 aufweist.
Der flüssige Kraftstoff wird hier aus der Düse 6 in Form eines kompakten Strahls 7 in Richtung der um die Zylinderachse strömenden Luft (Pfeil 8) mit flachem Auftreffwinkel auf die Brennraumwandung gespritzt, wo selbst er sich in Form eines Films 9 grossflächig ausbreitet. Beispielsweise etwa diametral zur Einspritzdüse oder in einer andern Lage im Brennraum ist im Zylinderkopf die Zündvorrichtung 10 eingebaut, deren im Ausführungsbeispiel als elektrisch beheizter Glühstift 11 ausge- bildeteZündquelle teilweise direkt in den Arbeitszylinder 4 hineinragt, während der restliche Teil im
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Zylinderkopf liegt.
Dieser Glühstift ist von einem am Kopf der Zündeinrichtung. befestigten Mantel 12 umgeben, der das freie Ende des Glühstifts mindestens gerade noch überdeckt und nach dem Brennraum hin offen ist (Öffnung 13). Der Mantel 12 umgibt den Glühstift mit einem Abstand 14, der je nach den Erfordernissen mehr oder minder gross ist.
Am seitlichen unteren Ende des Mantels 12 sind noch zusätzliche kleine Bohrungen 15 angeordnet, deren Achsen in senkrecht zur Brennraumlängsachse stehenden Ebenen liegen. Der Mantelöffnung 13 ist ein kurvenförmiger Kanal 16 vorgelagert, der etwa in der Brennraumäquatorebene beginnt und unmittelbar vor der Mantelöffnung 13 endigt und ausserdem innerhalb der Fläche der Filmauftragung liegt.
Wenn sich nun von der Auftreffstelle 70 des Kraftstoffstrahls 7 der Kraftstoffilm 9 ausbrei- tet, gelangt, abgesehen von einigen der vom Strahlmantel abgelösten Kraftstofftröpfchen, ein Teil des Films in den Kanal 16. Dieser Kraftstoffteil wird unter der Wirkung der noch übriggebliebenen kinetischen Energie der Kraftstoffeinspritzung und zusätzlich unter der Wirkung der Luftströmung in den Zwischenraum 14 wie auch auf die Oberfläche des Zündstiftes 11 gefördert.
Durch die Breite und Lage des Kanals 16 ist die erfasste Kraftstoffmenge regelbar. Dort vermischt sich dieser Kraftstoffteil und insoweit auch vom Kraftstoffstrahl abgesplitterte Kraftstofftröpfchen durch die einzelnen Bohrungen in den Zwischenraum eingedrungen sind, mit der vorhandenen Luft im Mantelzwischenraum. Es bildet sich dann eine Zündflamme, die in den Brennraum 3 einschiesst und das dort aufgedampfte Kraftstoff-Luftgemisch entzündet. Ausserdem dringen aus den Zusatzbohrungen 15 weitere Teilflammen in verschiedene Zonen des Brennraums ein, und bewirken so eine intensive Entzündung des Gemisches, u. zw. in den genannten Zonen, in denen sich während des Zündverzuges Gemisch gebildet hat.
Die Lage bzw. Richtung der Einspritzdüse und deren Strahls gegenüber der Lage der Zündeinrichtung und des Kraftstoffkanals ist stets so getroffen, dass die Auftreffstelle des diesem Kanal zugeordneten Kraftstoffstrahls entweder unmittelbar vor dem Kanalumfang beginnt oder etwas zurückversetzt ist.
In den Fig. 3 und 4 sind die gleichen Teile mit den gleichen Bezugsziffern versehen wie in den Fig. 1 und 2. Hier ist im Kolben 2 eine Bohrung 17 angeordnet, die sich vom Kolbenboden bis zum Brennraum 3 hin erstreckt und an dessen Wand unter flachem Anschneidewinkel einmündet.
Diese Bohrung 17 erweitert sich hier entsprechend dem Verlauf des Kraftstoffstrahls kegelig in Richtung des Brennraums. Etwa in der Mitte der Strahlbohrung 17 ist eine Verbindungsbohrung 18 angeordnet, in welche die Zündvorrichtung samt ihrer Ummantelung beim Hochgehen des Kolbens vor Erreichen dessen oberer Totpunktstellung teilweise eintaucht. Der Durchmesser des Mantels der Zündvorrichtung und der Durchmesser der Verbindungsbohrung 18 sind so aufeinander abgestimmt, dass ein möglichst geringer Spalt übrigbleibt.
Innerhalb der Strahlbohrung 17 ist im Bereich der Verbindungsbohrung 18 eine in diesem Ausführungsbeispiel als Schaufel ausgebildete und etwas in den Stahlmantel hineinragende Ablenkvorrichtung 19 angeordnet, deren Form und Lage so gewählt ist, dass je nach Absicht eine kleine oder grössere vorgegebene Kraftstoffmenge vom Kraftstoffstrahl abgelenkt und zur Zündvorrichtung hingeführt wird.
Dort dringen diese Kraftstofftröpfchen teils in den Zwischenraum 14. zwischen Mantelinnenfläche und Zündquelle und teils treffen sie direkt auf die Zündquelle 11 auf.
In der durch die Zündquelle hocherhitzten Luft des Zwischenraumes bildet sich während des Zündver- zuges ein zündendes Brenngas aus, das nach seiner Entflammung teilweise mit, teilweise hinter dem Kraftstoffstrahl in den eigentlichen Brennraum einschiesst und dort das aus vom Kraftstoffilm aufgedampften Kraftstoff und der Verbrennungsluft gebildete Gemisch entzündet.
Bei Anwendung einer Ablenkmulde wird diese zweckmässig etwas gewunden ausgebildet, damit die abgelenkten Kraftstofftröpfchen nicht durch den Kraftstoffstrahl hindurch, sondern um dessen Mantel herumgeführt werden und dann gegen die Zündvorrichtung strömen können.
Schliesslich wird noch in Fig. 5 die Ummantelung einer Zündkerze mit Funkenstrecke gezeigt. Hier ist die Zündkerze 20 mit ihrer einen Elektrode 21 an den Pluspol einer nicht weiter dargestellten Batterie angeschlossen, wogegen die andere Elektrode an Masse liegt. Die erfindungsgemässe Ummantelung 12 ist an der Stirnfläche des Kerzengewindes befestigt. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel können an der Ummantelung zusätzlich kleine Bohrungen 15 angeordnet sein.