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Die Erfindung bezieht sich auf eine luftverdichtende, direkt einspritzende Brennkraftmaschine mit einem Einlasskanal zur Erzeugung einer Rotation der einströmenden Luft um die Zylinderachse und einer zumindest annähernd mittig im Kolben liegenden, am Ende des Verdichtungshubes nahe- zu die gesamte Verbrennungsluft aufnehmenden, rotationskörperförmigen Brennraummulde, die an ihrem Übergang zum Zylinderraum unterhalb des Kolbenbodens eine kegelförmige Einschnürung auf- weist, sowie einer mit der Strahlenspitze annähernd auf der Brennraumachse angeordneten Ein- spritzdüse, deren Kraftstoffstrahlen gegen die Wand der Brennraummulde gerichtet sind,
wobei mehrere Einspritzbohrungen der Einspritzdüse geometrisch mit ihren Achsen auf einem Kegelmantel liegen und die geometrischen Durchstosspunkte der Achsen während der gesamten Einspritzdauer unterhalb des engsten Querschnittes der Einschnürung der Brennraummulde liegen.
Es ist bei direkt einspritzenden Brennkraftmaschinen bekannt, die Wand der Brennraummulde zum Kolbenboden hin zylindrisch auszubilden, wodurch im wesentlichen die Turbulenz der Luft in der Brennraummulde nur vom Einlassdrall herrührt. Die Verteilung des von einer auf der
Zylinderachse liegenden Einspritzdüse flach auf den zylindrischen Teil der Brennraummulde ge- spritzten Kraftstoffes an der Wand erfolgt durch Strahlumlenkung an taschenartigen Erweiterun- gen in der Brennraummuldenwand, wobei der Kraftstoff im Sinne der Luftströmung bewegt und auf der Brennraumwand filmartig verteilt wird.
Als Nachteil erweist sich dabei vor allem für kleine Motoren der relativ grosse Zeitbedarf für die Gemischaufbereitung und die Beschränkung auf einen oder höchstens zwei Einspritzstrahlen.
Weiters ist die Herstellung der Brennraummulde mit taschenartigen Erweiterungen aufwendig und die exakte Richtung des Kraftstoffstrahles muss durch geeignete Lagesicherung der Einspritzdüse sichergestellt werden.
Ferner ist bekannt, die Brennraummulde unmittelbar an den Kolbenboden angrenzend mit einer Einschnürung zu versehen, die mit einer schmalen Zylinderfläche ausgeführt ist. Der Boden der kugelförmigen Brennraummulde weist dabei eine die Brennraumtiefe verkleinernde Abflachung oder kegelförmige Erhebung in der Brennraumachse auf. Die Einspritzdüse ist aussermittig, schräg zur Zylinderachse angeordnet, wobei der geometrische Auftreffpunkt eines einzelnen Kraftstoffstrahles in der oberen Totlage des Kolbens unterhalb des grössten Brennraumdurchmessers und in Drehrichtung der Verbrennungsluft gesehen, in einem festgelegten Winkel hinter der Öffnung der Einspritzdüse liegt.
Wie bei der zuerst erwähnten Ausführung erfolgt auch hier die Gemischbildung vorwiegend durch die Rotation der eintretenden Luft und durch die Richtung des eingespritzten Kraftstoffes, die in diesem Fall von der Lage der Einspritzdüse vorgegeben wird. Die aussermittige, schräge Anordnung der Einspritzdüse ist konstruktiv und herstellungsmässig aufwendig. Die festgelegte Strahlrichtung erfordert eine Ausnehmung am oberen Rand der Brennraummulde, um den Kraftstoffstrahl ungehindert an den gewünschten Auftreffpunkt gelangen zu lassen. Diese Ausnehmung macht die Herstellung des Kolbens komplizierter und teurer.
Bei direkter Einspritzung ohne Wandauftragung des Kraftstoffes ist es im allgemeinen notwendig, den Kraftstoff durch Düsen mit mehreren Düsenlöchern einzuspritzen und ihn auf die Verbrennungsluft möglichst rasch und möglichst gleichmässig zu verteilen. Dazu dienen verschiedene und unterschiedlich erzeugte Arten der Luftbewegung.
Aus der CH-PS Nr. 211350 ist eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art bekannt, bei der der Brennraum eine Einschnürung aufweist, wobei der Kolbenspalt am Eintritt in die Brennraummulde durch einen Kegel mit sehr geringer Neigung gebildet wird. Dieser flache Verlauf soll die Radialeinströmgeschwindigkeit verkleinern, um die durch ein Schirmventil erzeugte Rotation der Luftströmung nicht zu stören. Die langsame Erweiterung des Kolbenspaltes bewirkt jedoch eine nahezu stetige Verzögerung der radialen Einströmung mit dem Nachteil geringer Turbulenz, wodurch ein relativ schnelles teilweises "Einfrieren" (Verringerung) der Verbrennung beim Überströmen des brennenden Gemisches in den engen Kolbenspalt eintritt.
Diese Brennraumform reagiert daher mit relativ hohen Verbrennungsrussmengen im Abgas und hohen Anteilen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen, vor allem dann, wenn das Verdichtungsverhältnis aus verschiedenen Gründen hoch gesteigert werden muss. Die starke Einschnürung des Brennraumes und die dadurch verursachte Leistungsverminderung infolge vn Drossel- bzw. Oberschiebeverlusten ist ein weiterer Nachteil dieser bekannten Anordnung.
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Aufgabe der Erfindung ist es, Brennkraftmaschinen der eingangs genannten Art so zu ver- bessern, dass die angeführten Nachteile der bekannten Brennkraftmaschinen vermieden werden und sich insbesonders optimale Werte für Kraftstoffverbrauch, Leistung und Abgaszusammensetzung er- geben.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Durchmesser des engsten, den oberen Teil vom unteren Teil der Brennraummulde trennenden Querschnittes der Brennraummul- de 75 bis 90%, vorzugsweise 85% des maximalen Durchmessers der Brennraummulde und dessen Ab- stand vom oberen Kolbenboden 10 bis 30%, vorzugsweise 20% der maximalen Tiefe der Brennraum- mulde beträgt und dass die Einschnürung aus zwei konzentrischen Kegelflächen des oberen und unteren Teiles der Brennraummulde gebildet ist, die einen Winkel von etwa 900 einschliessen.
Die Vorteile dieser Ausbildung liegen in der vor allem bei kleinen Motoren ohne grossen Auf- wand erzielbaren intensiven sogenannten Mikroturbulenz durch die Überlagerung der rotierenden horizontalen Strömung der angesaugten Luft mit der annähernd rechtwinkelig dazu auftretenden
Strömung durch das Überschieben der Luft in die Brennraummulde, wobei durch die Einschnürung eine turbulenzfördernde Geschwindigkeitserhöhung und durch die erfindungsgemässe Lage der Ein- schnürung eine besonders günstige Führung der Oberschiebeströmung erreicht wird.
Wegen der hohen Eintrittsgeschwindigkeit in den oberen Teil der Brennraummulde und infolge der plötzlichen
Erweiterung unterhalb des engsten Querschnittes wird eine stark turbulente Schicht über dem eng- sten Querschnitt gebildet, die eine schnelle und vollständige Nachverbrennung des aus der Mulde ausströmenden Gemisches nach der Zündung unterstützt und das vorzeitige "Einfrieren" (Ver- ringerung) der Verbrennung durch Abkühlung im engen Kolbenspalt vermeidet. Durch die auf diese
Weise in kurzer Zeit erreichbare ausgezeichnete Gemischaufbereitung läuft die Verbrennung wesent- lich günstiger ab, wobei überraschend ein Leistungsanstieg bei gleichzeitiger Reduktion des Kraft- stoffverbrauches und der Rauchwerte erzielt wird, wie zahlreiche Versuche eindrucksvoll zeigten.
Dieses Ergebnis kann wie folgt erklärt werden. Bei kleineren Motoren mit der durch die Bau- grösse beschränkten Strahllänge wird nur relativ wenig Luft durch den Brennstoffstrahl mitgerissen und mit Brennstoff vermischt, es muss deshalb die Aufteilung des Kraftstoffes auf die Verbrennungsluft durch die Erzeugung einer Rotation derselben im allgemeinen um die Zylinderachse unterstützt werden. Die Rotation wird z. B. dadurch erreicht, dass der Einlasskanal oder das Einlassventil so ausgebildet wird, dass die angesaugte Luft mit Rotation um die Zylinderachse in den Brennraum eintritt. Die beim Einlass erzeugte Rotation erhält sich gut während des Einström- und Verdichtungsvorganges, da ihr nur kleine Widerstände entgegenwirken.
Zur Gemischbildung ist ausser der durch die Luftrotation bewirkten relativ groben Aufteilung des Kraftstoffes auf die Luft auch noch gröbere und feinere Turbulenz (Mikroturbulenz) erforderlich. Diese wird zum Teil durch den Brennstoffstrahl selbst erzeugt, wobei durch die Reibung zwischen dem mit hoher Geschwindigkeit eingespritzten Brennstoff die Luft beschleunigt und in Turbulenz versetzt wird.
Bei den kleinen Strahllängen, die bei kleineren Motoren nur erreicht werden können, ist die auf diese Weise erzeugte Turbulenz für die Mischung nicht ausreichend. Durch das Überschieben von Luft in den Brennraum während der Verdichtung und vor der Verbrennung, wobei die Überschiebegeschwindigkeit bis in die Nähe des oberen Totpunktes ansteigt, dann bis zum Totpunkt rasch abfällt und nach demselben in entgegengesetzter Richtung verläuft, entstehen starke turbulente Strömungen, die für die Verbrennung besonders beschleunigend wirken, vor allem da sie in unmittelbarer zeitlicher Nähe derselben auftreten.
Durch die erfindungsgemässe Formgebung der Einschnürung wird weiters eine günstige Strömungsführung bei guter thermischer Widerstandsfähigkeit dieses stark beanspruchten Brennraumteiles erreicht.
Gemäss der Erfindung kann der Übergang der Kegelflächen ineinander und/oder der oberen Kegelfläche zum Kolbenboden abgerundet sein. Die Abrundung der besonders exponierten Kanten ergibt eine weitere Steigerung der thermischen Widerstandsfähigkeit.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann zwischen den beiden Kegelflächen eine schmale Zylinderfläche angeordnet sein. Der Vorteil dieser Gestaltung liegt wie bisher in der günstigen Strömungsführung und hohen thermischen Widerstandsfähigkeit, bei gleichzeitig leichterer Herstellungsmöglichkeit.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung kann der Boden der Brennraummulde in an sich bekannter Weise als Kegel ausgebildet sien, dessen Spitze dem Kolbenboden zugewendet ist und in der Achse der Brennraummulde bzw. der Kegelflächen liegt. Als Vorteil ist die durch diese Ausbildung des Muldenbodens erreichbare Umlenkung der Strömung und die damit verbundene verbesserte Durchmischung von Luft und Kraftstoff und dem daraus resultierenden günstigeren Verbrennungsablauf zu nennen.
Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch Kolben und Zylinder mit dem Kolben im oberen Totpunkt, Fig. 2 den gleichen Schnitt mit dem Kolben in der Stellung bei Einspritzbeginn vor dem oberen Totpunkt bzw. in der Abwärtsbewegung nach dem oberen Totpunkt. Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf den Kolben mit der Brennraummulde, Fig. 4 stellt ein Detail der Brennraummulde dar.
Der im Zylinder -17-- der Brennkraftmaschine axial bewegliche Kolben --16-- weist eine Brennraummulde --1-- auf, die an ihrem Übergang zum Zylinderraum --2-- eine Einschnürung --4-- besitzt, deren kleinster Durchmesser 5 in einem Abstand 10 von 10 bis 30% der maximalen Brennraumtiefe --11-- vom oberen Kolbenboden --3- angeordnet ist. Das Mass des kleinsten Durch-
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konzentrische Kegelflächen --7, 8--. Der Übergang der Kegelflächen --7, 8-- ineinander und/oder der oberen Kegelfläche --8-- in den Kolbenboden --3-- kann abgerundet ausgeführt sein.
In einer Variante, wie sie Fig. 4 in einem vergrösserten Ausschnitt zeigt, ist zwischen den beiden Kegel- flächen --7, 8-- eine schmale Zylinderfläche --15-- angeordnet. Der Boden der Brennraummulde ist mit einer kegelförmigen Erhebung --9-- versehen, deren Spitze zum Kolbenboden --3-- weist und auf der Achse 14 der Brennraummulde -1-- liegt.
Die Einspritzdüse --12-- ist mit ihrer Spitze auf der Achse 14 der Brennraummulde-l- angeordnet und trägt mindestens drei, geometrisch auf einem Kegelmantel liegende, am Umfang nicht unbedingt gleichmässig verteilte Bohrungen. Die aus der Düse --12-- austretenden Kraftstoffstrahlen 23 haben ihre geometrischen Auftreffpunkte --6-- auf der Wand der Brennraummul-
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Fig. 3stoffstrahlen --23-- und ihrer Auftreffpunkte --6--.
Der Ablauf des Gemischbildungsvorganges mit Hilfe der erfindungsgemässen Massnahmen ist folgender :
Die angesaugte Luft wird von einem entsprechend hiefür ausgebildeten Einlasskanal in Rotation gemäss Pfeil 18 in Fig. 3 versetzt, die sich während des Verdichtungsvorganges erhält. Beim Annähern des Kolbens --16-- an den oberen Totpunkt, dargestellt in Fig. 2, wird die im Zylinderraum --2-- rotierende Luft in den oberen Teil-l'-und über die Einschnürung --4-- in den unteren Teil-l''-der Brennraummulde-l-unter starkem Anstieg der Geschwindigkeit in vertikaler Richtung, wie durch Pfeil 19 angedeutet, verdrängt. In diesem Zustand sehr intensiver Turbulenz wird der Kraftstoff in mindestens drei Strahlen 23 unterhalb des kleinsten Durch-
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wird.
Die beschriebene Ausbildung der Einschnürung --4-- sowie des Muldenbodens in Form eines Kegels --9-- unterstützen den Gemischbildungsvorgang, so dass es nach nur kurzem Zündverzug in weiterer Folge zu einem hinsichtlich Leistung, Verbrauch und Abgasqualität günstigen Verbrennungsablauf kommt.
Beim Verbrennungsvorgang während des Expansionshubes tritt eine umgekehrte intensive
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ein. Daher ist es vorteilhaft, den Winkel 21 zwischen den beiden Kegelflächen --7, 8-- nicht wesentlich kleiner als etwa 900 auszuführen. Weiters erhöhen Abrundungen der Kanten oder die Einfügung einer Zylinderfläche --15-- zwischen den Kegelflächen --7, 8-- wie es Fig. 4 darstellt, die thermische Belastbarkeit dieses Teiles des Brennraumes, wodurch der erfindungsgemässe Effekt der Turbulenzsteigerung über die gesamte Lebensdauer der Maschine erhalten bleibt.