<Desc/Clms Page number 1>
Brennkraftmaschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung und Verdichtungszündung
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung und Verdichtungszündung, bei der der Brennraummittelpunkt bzw. die Brennraumachse mit der Zylinderachse zusammenfällt oder in der Nähe der Zylinderachse angeordnet ist, der rotationssymmetrische Brennraum inbesondere mit einer gegen den Zylinderraum eingeschnürten Verbindungsöffnung entweder im Kolben oder Zylinderkopf vorgesehen und der Brennraum so ausgebildet ist, dass sich in ihm in der obersten Totlage des Kolbens beim Verdichtungshub nahezu die gesamte angesaugte Verbrennungsluft befindet, der insbesondere während des Ansaughubes eine kreisende Bewegung um die Brennraumachse in Form eines Umfangswirbels erteilt wird,
bei der die Einspritzdüse zwischen Brennraumachse und Brennraumgrösstdurchmesser zur Zylinder- bzw. Brennraumachse schräg verlaufend angeordnet ist und der Kraftstoff durch mindestens zwei Kraftstoffstrahlen unterschiedlicher Länge, die beim Blick in Richtung Zylinderachse im wesentlichen quer zum Umfangswirbel und unterhalb der Brennraumöffnungskante verlaufen, in den Brennraum eingespritzt wird, wobei ein Teil des Kraftstoffes auf die Brennraumwand trifft, ein Teil des eingespritzten Kraftstoffes sofort auf die Verbrennungsluft verteilt wird, ein Kraftstoffstrahl als längster Strahl (Zündstrahl) ausgebildet ist und ein Teil des Zündstrahles die heisseste oder unmittelbar daran angrenzende Zone um die Brennraum- bzw. Zylinderachse berührt.
Bei bekannten Motoren, bei denen die Kraftstoffstrahlen beim Blick in Richtung Zylinderachse quer zum Umfangswirbel liegen, ist der Schnittpunkt von Spritzlochachsen und Düsenlängsachse, im folgenden Spritzkugelmittelpunkt der Einspritzdüse genannt, möglichst nahe der Brennraumachse angeordnet oder die Spritzrichtung der Kraftstoffstrahlen so gewählt, dass alle Kraftstoffstrahlen möglichst die gleiche freie Strahllänge besitzen und somit möglichst gleichen Gemischbildungsfaktoren unterliegen. Dieses Verfahren bringt gute Werte bezüglich Wirtschaftlichkeit, Mitteldruck und Abgastrübung. Nachteilig ist, dass infolge der gleichen Gemischbildungsfaktoren für alle Kraftstoffstrahlen mehrere Zündherde auftreten, wodurch die Verbrennung unter hoher Geräuschentwicklung abläuft.
Ausserdem ist eine Erhöhung der Geschwindigkeit des Umfangswirbels der Verbrennungsluft auf ein Optimum nicht möglich, weil die Kraftstoffstrahlen ineinander verweht werden bzw. zumindest das Verbrennungsgeräusch nicht optimal gestaltet werden kann.
Ferner ist ein Verfahren mit Umfangswirbel und quer dazu verlaufender Spritzrichtung der Kraftstoffstrahlen bekannt, bei dem der Spritzkugelmittelpunkt der Einspritzdüse gewollt ausserhalb der Brennraumachse angeordnet ist. Die hiedurch erreichbaren unterschiedlichen freien Längen der Kraftstoffstrahlen sollen in Verbindung mit unterschiedlichen hohen Strahlauftreffstellen auf der Brennraumwand zur Lokalisierung des Zündortes führen. Es liegt der Gedanke zugrunde, dass die Zündung vom Kraftstoffstrahl mit der kürzesten freien Länge ausgeht, wenn dieser Kraftstoffstrahl in Richtung Brennraumöffnungskante gerichtet ist, wobei insbesondere ein Teil des Kraftstoffes des Mantels dieses Kraftstoffstrahles der Quetschströmung entgegenspritzt, was zu schneller Verdampfung und örtlicher Gemischanreicherung führt.
Alle übrigen Kraftstoffstrahlen weisen diesbezüglich
<Desc/Clms Page number 2>
ungünstigere Bedingungen auf, weil sie tiefer im Brennraum auftreffen. Ausserdem wird durch das Spritzen in die Quetschströmung ein kurzer Zündverzug angestrebt und verwirklicht. Besonders dieser kurze Zündverzug aber wirkt sich nachteilig für die Steigerung des Umfangswirbels der Verbrennungsluft auf ein Optimum aus, weil flüssiger Kraftstoff durch die Verbrennungsfläche spritzt, was zu Russentwicklung führt.
Weiterhin ist aber ausserdem die Gefahr des Auftretens mehrerer Zündherde objektiv vorhanden, weil der kürzeste Strahl zwar durch die Quetschströmung am besten aufbereitet wird, aber bei optimalem Umfangswirbel auch für die andern Kraftstoffstrahlen auf Grund ihrer grösseren Länge sehr gute Gemischbildungsfaktoren geschaffen sind, wobei ausserdem einer der längeren Strahlen durch die Zone hoher Gastemperatur um das Zentrum des Brennraumes gerichtet ist.
Schliesslich sind auch Einspritzsysteme bekannt geworden, bei denen der längste Kraftstoffstrahl in der oberen Totpunktlage des Kolbens unterhalb der Brennraumöffnungskante gegen die am weitest entfernt liegenden Teile der Brennraumwand gerichtet ist, wobei ein Teil dieses Kraftstoffes die Zone um die Zylinderachse berührt und die übrigen kürzeren Kraftstoffstrahlen in der durch die Exzentrizität der Einspritzdüse bestimmte Brennraumhälfte verlaufen.
Zweck der Erfindung ist es, die Wirtschaftlichkeit bekannter direkteinspritzender Verbrennungsverfahren zu verbessern, einen höheren Mitteldruck zu ermöglichen, die Abgastrübung zu mindern und das Verbrennungsgeräusch abzusenken.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verbrennungsverfahren zu erlangen, das eine Steigerung des Umfangswirbels der Verbrennungsluft auf ein Optimum zulässt, bei dem die Initialzündung (mit Sicherheit) immer nur durch einen Kraftstoffanteil aus ein und demselben Kraftstoffstrahl erfolgt, während alle andern Kraftstoffstrahlen so ausgebildet und gerichtet sind, dass günstige Gemischbildungsverhältnisse für ein möglichst homogenes Kraftstoff-Luftgemisch gegeben sind und ein langer Zündverzug bei möglichst kurzem Heizgesetz verwirklicht ist.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Auftreffstellen der Kraftstoffstrahlen in der oberen Totpunktlage des Kolbens in einer Ebene senkrecht zur Zylinderachse etwas oberhalb des Brennraummittelpunktes in Richtung zum Kolbenboden zu angeordnet sind.
Gemäss einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass beim Blick in Richtung der Zylinderachse die Spritzlochachsen der Kraftstoffstrahlen asymmetrisch zu jener Ebene liegen, die zwischen Brennraumachse und dem Mittelpunkt der Einspritzdüse verläuft. Ein weiteres Kennzeichen der Erfindung besteht darin, dass beim Blick in Richtung Zylinderachse bei einer Anordnung mit mehr als zwei Kraftstoffstrahlen deren Spritzlochachsen in an sich bekannter Weise symmetrisch bezüglich der Ebene "Einspritzdüsemittelpunkt-Brennraumachse" liegen und der Mittelpunkt der Einspritzdüse, wie an sich bekannt, um mindestens 20 bis 25% des grössten Brennraumdurchmessers von der Brennraumachse entfernt liegt.
Das Verbrennungsgeräusch des erfindungsgemässen Verbrennungssystems ist gering, weil die Initialzündung immer im längsten Kraftstoffstrahl erfolgt und weil durch homogenes Gemisch, insbesondere ein Mikrogemisch, die Reaktionsgeschwindigkeit gemindert ist ; denn nicht die eingespritzte, sondern die aufbereitete Kraftstoffmenge ist von Bedeutung.
Die erfindungsgemässe Ausführung trägt nachfolgenden Bedingungen für eine wirtschaftliche Kraftstoffverbrennung bei optimalem Umfangswirbel der Verbrennungsluft Rechnung : a) Der Zündverzug ist relativ lang, damit kein flüssiger Kraftstoff durch die Flamme gespritzt wird. b) Der auf die Brennraumwand gelangende Kraftstoff bildet dünne, in der Ebene des
Umfangswirbels gesehen, kurze Filme.
Damit ist die Gefahr der Russbildung und einer hohen Reaktionsgeschwindigkeit infolge eines übermässig fetten Gemisches am Filmende vermieden und gleichzeitig die Abdampfgeschwindigkeit gering. c) Der auf die Brennraumwand gelangende Kraftstoff bildet durch die Mehrstrahldüse eine grosse Filmfläche, damit der Kraftstoff nach erfolgter Zündung unter Einwirkung des konvektiven Wärmeüberganges und der Strahlungswärme schnell verdampft und ein kurzes
Heizgesetz entsteht. d) Die Kraftstoffstrahlen spritzen weitgehend senkrecht zum Umfangswirbel.
Zur Erzielung eines kurzen Heizgesetzes und Sicherstellung des Kaltstartes wird eine bestimmte Kraftstoffmenge durch den Umfangswirbel aus den Kraftstoffstrahlen herausgeweht. e) Die Spritzlochanzahl ist grösser als eins, denn bei gegebenem Spritzlochgesamtquerschnitt steigt die Homogenität des Strahlaufbaues mit zunehmender Spritzlochzahl, was einerseits eine Verlängerung des Zündverzuges und anderseits eine verbesserte Kaltstartfähigkeit bedeutet.
<Desc/Clms Page number 3>
f) Ein Kraftstoffstrahl weist eine grössere freie Strahllänge auf als die übrigen
Kraftstoffstrahlen.
Er ist so gerichtet, dass von ihm immer die Initialzündung ausgeht. g) Der Sektorwinkel zwischen je zwei benachbarten Kraftstoffstrahlen ist entsprechend der freien Strahllänge (Strahlauflösung), der Umfangswirbeldrehzahl und der Strömungsrichtung zwischen Umfangswirbel und Richtung der Kraftstoffstrahlen abgestimmt, damit unter
Einwirkung des Umfangswirbels keine unzulässige Störung der Gemischbildung des stromabwärts gelegenen Strahles durch den stromaufwärts gelegenen eintritt. h) Abhängig von Spritzrichtung, freier Strahllänge und Brennraumform haben die
Strahlauftreffstellen (gedacht als Durchdringungspunkt der Spritzlochachse durch die
Brennraumwand) zumindest nahezu gleiche Höhenabstände bis zum Kolbenboden und liegen so tief im Brennraum, dass kein Kraftstoff aus dem Strahlmantel in den Spalt zwischen Kolben und Zylinderkopf bzw.
auf den Kolbenboden gespritzt wird. i) Um optimale Bedingungen für die thermische Mischung der wandverteilten Kraftstoffmenge zu erhalten, sind die Filme in Nähe des maximalen Brennraumdurchmessers auf der
Brennraumwand angeordnet.
Weil nur ein Kraftstoffstrahl eine grössere freie Strahllänge hat als die übrigen Kraftstoffstrahlen, ist es bei dem erfindungsgemässen Verbrennungssystem möglich, insbesondere durch abgestimmte Strahlrichtung und freie Strahllänge zu einer hohen optimalen Umfangswirbeldrehzahl zu gelangen, und anderseits bietet eben das Vorhandensein eines Kraftstoffstrahles mit grosser freier Strahllänge die Gewähr für einen guten Kaltstart und die Lokalisierung der Initialzündung in diesem längsten Strahl. Nach erfolgter Zündung breitet sich die Flamme im Brennraum aus, wobei die luftverteilt eingespritzte Kraftstoffmenge und die von der Brennraumwand abgedampfte bzw. abdampfende Kraftstoffmenge nach mit der Verbrennungsluft erfolgter Mischung verbrennt.
Die angestrebte günstige Heizgesetzform und kurze Heizdauer, hervorgerufen durch lokalisierte Initialzündung, homogene Verteilung des luftverteilten Kraftstoffes auf die Verbrennungsluft, Vermeidung von hohen Kraftstoffkonzentrationen des von der Brennraumwand abdampfenden Kraftstoffes in der Verbrennungsluft am Filmende, grosse Filmfläche und abgestimmte Umfangswirbeldrehzahl gestatten, hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit einen relativ spät liegenden Verbrennungsbeginn zu realisieren, wobei gleichzeitig eine gute Laufruhe des Motors auftritt.
Das erfindungsgemässe Verbrennungssystem besitzt infolge des exentrisch betreffs der Brennraumachse angeordneten Spritzkugelmittelpunktes weiterhin den Vorteil einer grossen konstruktiven Freiheit sowohl für die Ventilanordnung bei zwei Ventilen pro Zylinder als auch für die Gestaltung des Einlass-und Auslasskanales und ergibt infolge der zentralen Brennraumlage eine gleichmässige Kolbentemperatur, insbesondere in Nähe der Kolbenringnuten.
Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen Fig. 1 ein System mit drei asymmetrisch betreffs der Ebene Spritzkugelmittelpunkt-Brennraumachse angeordneten Kraftstoffstrahlen, Fig. 2 den Schnitt A-A nach Fig. 1, Fig. 3 ein System mit zwei Kraftstoffstrahlen, die in der Ebene Spritzkugelmittelpunkt-Brennraumachse angeordnet sind, Fig. 4 ein System mit drei symmetrisch betreffs der Ebene Spritzkugelmittelpunkt-Brennraumachse angeordneten Kraftstoffstrahlen.
Die Zylinderachse-l-fällt mit der Brennraumachse --2-- zusammen. Im gewissen Abstand hiezu befindet sich die Einspritzdüse und mithin der Spritzkugelmittelpunkt. Die Kraftstoffstrahlen-4, 5, 6--symbolisiert durch die Richtung der Spritzlochachsen, treffen an den Kraftstoffauftreffstellen--10, 11, 12--auf die Brennraumwand auf, so dass sich die Filme --13, 14, 15--auf der Brennraumwand ausbilden.
In Wirklichkeit haben die Strahlachsen infolge des Umfangswirbels--9--etwa den strichpunktierten Verlauf, d. h. sowohl die Auftreffstellen als auch die Filme sind in Strömungsrichtung
EMI3.1
--4-- ist--10, 11--darf kleiner sein, weil der Kraftstoffstrahl-5-eine kürzere Strahllänge besitzt. Dies trifft auch für den Kraftstoffstrahl --6-- zu. Weil der Umfangswirbel --9-- aber den Kraftstoffstrahl--6--praktisch auf die Brennraumwand zuweht, während der Kraftstoffstrahl --5-- durch den Umfangswirbel --9-- praktisch von der Brennraumwand weggedrückt wird, muss der Abstand zwischen den Kraftstoffstrahlauftreffstellen-10 und 11--in allgemeinen grösser sein als zwischen den Auftreffstellen-11, 12--.
<Desc/Clms Page number 4>
EMI4.1