AT518418B1

AT518418B1 - Zweitakt-Verbrennungsmotor

Info

Publication number: AT518418B1
Application number: ATA50200/2016A
Authority: AT
Original assignee: Dipl Ing Dr Techn Roland Kirchberger
Priority date: 2016-03-10
Filing date: 2016-03-10
Publication date: 2017-10-15
Also published as: AT518418A4; US20190078545A1; DE112017001182A5; WO2017152200A1; CN109154228A; US11384723B2

Abstract

Es wird ein Zweitakt-Verbrennungsmotor mit wenigstens einem einen Kolben (2) aufnehmenden Zylinder (1) und mit wenigstens einer in eine Bohrung (5) im Zylindermantel (6) eingesetzten Einspritzdüse (4) in Form einer Mehrloch-Niederdruckdüse beschrieben. Um vorteilhafte Einspritzbedingungen zu schaffen, wird vorgeschlagen, die Mehrloch-Niederdruckdüse eine Düsenplatte (15) mit innerhalb eines Hüllkreises (17) angeordneten Düsenöffnungen (16) zur Ausbildung eines gemeinsamen Düsenstrahls (11) mit einem von der Neigung der Düsenachse (12) gegenüber der Mündungsfläche der Bohrung (5) abhängigen, ein Anlegen des Düsenstrahls (11) an den Zylindermantel (6) unterbindenden Öffnungswinkel (α) aufweist und dass bei einem gegen den Zylindermantel (6) geneigten resultierenden Vektor (14) aus dem Geschwindigkeitsvektor (13) des Düsenstrahls (11) in Richtung der Düsenachse (12) und dem Geschwindigkeitsvektor (10) der Spülluftströmung in Strömungshauptrichtung der resultierende Vektor (14) mit dem Zylindermantel (6) einen maximalen Neigungswinkel (γ) von 20° einschließt.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Zweitakt-Verbrennungsmotor mit wenigstens einem einen Kolben aufnehmenden Zylinder und mit wenigstens einer in eine Bohrung im Zylindermantel eingesetzten Einspritzdüse in Form einer Mehrloch-Niederdruckdüse.

[0002] Da die innerhalb der Takte zur Verfügung stehende Zeit nicht ausreicht, um den mit Hilfe von Einspritzdüsen gegen den heißen Kolbenboden gespritzten Kraftstoff zu verdampfen und daher die Nachteile der mit Kraftstoff benetzten Kolben- und Zylinderwandflächen insbesondere hinsichtlich der Kohlenwasserstoffemissionen durchschlagen, wurde bereits vorgeschlagen (WO 2010/063048 A1), die Einspritzdüsen einander bezüglich einer durch die Achse eines Auslasskanals bestimmten Durchmesserebene des Zylinders symmetrisch gegenüberliegend so anzuordnen, dass sich Düsenachsen in der unteren Totpunktlage des Kolbens oberhalb des Kolbenbodens in der Durchmesserebene schneiden, und zwar auf der vom Auslasskanal abgewandten Seite der Zylinderachse, was in Verbindung mit der entgegengerichteten Luftströmung durch die Überströmkanäle zu einer vom Kolbenboden weg gegen den Zylinderkopf gerichteten Strömung des sich bildenden Gemischs führt und daher eine Kohlenwasserstoffemissionen bedingende Benetzung des Kolbenbodens mit Kraftstoff verhindert. Diese Wirkung wird jedoch beim Einspritzen des Kraftstoffs lediglich durch eine Einspritzdüse unterlaufen. Es wurde daher der Einsatz von Mehrloch-Niederdruckdüsen vorgeschlagen (WO 2015/113096 A1), die den Kraftstoff mit vermindertem Impuls einspritzen.

[0003] Der Impuls des Einspritzstrahls stört jedoch den Spülstrom der Frischluft, insbesondere bei niedrigen Lasten, sodass sich für die angestrebte Verdrängungsspülung keine den Zylinder durchlaufende vergleichsweise großflächige Frischluftfront ausbilden kann. Da der Einfluss der Kraftstoffeinspritzung auf diese Frischluftfront mit einer entsprechenden Kraftstoffverteilung über die Frischluftfront verringert wird, ist eine Kraftstoffverteilung über eine vergleichsweise große Fläche anzustreben, was nicht nur eine Erhöhung des Impulses mit sich bringt, sondern auch einen größeren Öffnungswinkel des Düsenstrahls mit der Gefahr erfordert, dass sich der Düsenstrahl an die Zylinderwand anlegt.

[0004] Einspritzdüsen mit einer Mehrlochscheibe sind beispielsweise aus der DE 196 36 396 A1 bekannt. Solche bekannten Einspritzdüsen können allerdings die Gefahr nicht ausschließen, dass sich das Kraftstoffluftgemisch nach einer Vereinigung des Düsenstrahls mit der Luftströmung an die Zylinderwand anlegt.

[0005] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Einspritzbedingungen für einen Zweitakt-Verbrennungsmotor so zu verbessern, dass durch die Einspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum die Spülströmung oberhalb des Kolbens wenig gestört und die Gefahr vermieden wird, dass sich das Kraftstoff-Luftgemisch nach einer Vereinigung des Düsenstrahls mit der Luftströmung an die Zylinderwand anlegt und dadurch die Zylinderwand mit Kraftstoff benetzt wird.

[0006] Ausgehend von einem Zweitakt-Verbrennungsmotor der eingangs geschilderten Art, löst die Erfindung die gestellte Aufgabe dadurch, dass die Mehrloch-Niederdruckdüse eine Düsenplatte mit innerhalb eines Hüllkreises angeordneten Düsenöffnungen zur Ausbildung eines gemeinsamen Düsenstrahls mit einem von der Neigung der Düsenachse gegenüber der Mündungsfläche der Bohrung abhängigen, ein Anlegen des Düsenstrahls an den Zylindermantel unterbindenden Öffnungswinkel aufweist und dass bei einem gegen den Zylindermantel geneigten resultierenden Vektor aus dem Geschwindigkeitsvektor des Düsenstrahls in Richtung der Düsenachse und dem Geschwindigkeitsvektor der Spülluftströmung in Strömungshauptrichtung der resultierende Vektor mit dem Zylindermantel einen maximalen Neigungswinkel von 20° einschließt.

[0007] Aufgrund diese Maßnahmen kann bei einem vergleichsweise kleinen Öffnungswinkel des gemeinsamen Düsenstrahls in einem vorgegebenen Abstand von der Einspritzdüse eine Querschnittsfläche des Düsenstrahls erreicht werden, die im Vergleich mit einem Düsenstrahl einer Einlochdüse entweder einen erheblich größeren Öffnungswinkel des Düsenstrahls oder einen größeren Abstand von der Einspritzdüse erfordert. Aufgrund der innerhalb eines Hüllkreises angeordneten Düsenöffnungen ergibt sich ein Düsenstrahl, dessen Austrittsquerschnitt nicht durch den Durchmesser der Düsenöffnungen, sondern durch den die Düsenöffnungen umschließenden Hüllkreisdurchmesser bestimmt wird, was bei einer vorgegebenen Querschnittsfläche den Abstand von der Einspritzdüse verringert, sodass bei einem vorgegebenen Abstand der Öffnungswinkel des Düsenstrahls begrenzt werden kann, ohne auf eine entsprechende Verteilung des eingespritzten Kraftstoffs über eine größere Querschnittsfläche verzichten zu müssen. Dies bedeutet einerseits, dass zufolge des Einspritzens des Kraftstoffs über mehrere innerhalb eins Hüllkreises angeordnete Düsenlöcher der Kraftstoff mit einem vergleichsweise geringen Impuls in einer guten Verteilung über die Front der Luftströmung in den Brennraum eingespritzt wird und dass anderseits wegen des beschränkten Öffnungswinkels die Gefahr eines Anlegens des Düsenstrahls an die Zylinderwand ausgeschlossen werden kann, was eine wesentliche Voraussetzung für eine vorteilhafte Kraftstoffverteilung im Brennraum darstellt. Darüber hinaus wird die Gefahr ausgeschlossen, dass sich das Kraftstoff-Luftgemisch nach einer Vereinigung des Düsenstrahls mit der Luftströmung an die Zylinderwand anlegt.

[0008] Mit der Anzahl der Düsenöffnungen und ihrer Ausrichtung kann in einfacher Weise Einfluss auf die Ausbildung des Düsenstrahls genommen werden. Weist die Düsenplatte wenigstens drei über den Umfang des Hüllkreises verteilte Düsenöffnungen auf, so ergibt sich bei einem gemeinsamen Düsenstrahl eine durch den Durchmesser des Hüllkreises bestimmte Basis für den Düsenstrahl, die vielen Anforderungen genügt. Besonders vorteilhafte Konstruktionsverhältnisse ergeben sich in diesem Zusammenhang, wenn der Hüllkreis der Düsenöffnungen einen Durchmesser aufweist, der zumindest einem Drittel des Radius der die Einspritzdüse aufnehmenden Bohrung im Zylindermantel entspricht.

[0009] In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen [0010] Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Zweitakt-Verbrennungsmotor ausschnittsweise in einem Axialschnitt durch einen Zylinder, [0011] Fig. 2 eine in eine Bohrung im Zylindermantel eingesetzte, im Bereich der Düsenplatte aufgerissene Einspritzdüse in einem größeren Maßstab und [0012] Fig. 3 die in die Bohrung eingesetzte Einspritzdüse nach der Fig. 2 in einer Stirnansicht.

[0013] Gemäß der Fig. 1 umfasst ein Zweitakt-Verbrennungsmotor nach der Erfindung wenigstens einen Zylinder 1 mit einem Kolben 2, der in der unteren Totpunktlage dargestellt ist. Auf der einem Auslasskanal 3 gegenüberliegenden Zylinderseite ist eine Einspritzdüse 4 vorgesehen, die in eine Bohrung 5 im Zylindermantel 6 eingesetzt ist. Zwischen dem nicht dargestellten Kurbelgehäuse und dem Brennraum des Zylinders 1 sind einander bezüglich der Zeichnungsebene paarweise gegenüberliegende Überströmkanäle 7, 8 vorgesehen. Zusätzlich weist der Zylinder 1 einen dem Auslasskanal 3 diametral gegenüberliegenden Überströmkanal als Aufrichtkanal 9 auf. Die durch die Überströmkanäle 7, 8 und den Aufrichtkanal 9 bedingte Spülluftströmung weist einen Geschwindigkeitsvektor 10 in Richtung der resultierenden Hauptluftströmung auf. Der Kraftstoff wird in Form eines Düsenstrahls 11 in Richtung der Düsenachse 12 in den Brennraum eingespritzt. Der Geschwindigkeitsvektor des Düsenstrahls in Richtung der Düsenachse 12 ist mit 13 bezeichnet. Der Geschwindigkeitsvektor 13 des Düsenstrahls 11 bildet mit dem Geschwindigkeitsvektor 10 der Spülluftströmung einen resultierenden Vektor 14, der maßgebend für die aus den Spülluftströmungen und dem Düsenstrahl 11 resultierende Gesamtströmung ist und den Strömungsweg des Kraftstoff-Luftgemisches im Brennraum verdeutlicht.

[0014] Die Frontfläche der Spülluftströmung soll in ihrem Verlauf durch den Düsenstrahl 11 möglichst wenig Veränderung erfahren, um eine gute Verdrängungsspülung sicherstellen zu können. Aus diesem Grund soll der Kraftstoff möglichst gleichmäßig über die Spülluftfront in die Luftströmung eingetragen werden. Dies setzt im Bereich des Aufeinandertreffens von Spülluftstrom und Düsenstrahl 11 eine an die Spülluftfront angepasste Querschnittsfläche des Düsen-

Strahls 11 einerseits und anderseits einen vergleichsweise kleinen Impuls des Düsenstrahls 11 voraus. Trotz dieser Bedingungen soll sich der Düsenstrahl nicht aufgrund eines Coanda-Effekts an den Zylindermantel 6 anlegen. Dies bedeutet, dass der Öffnungswinkel α des Düsenstrahls 11 unter Berücksichtigung des Neigungswinkels der Düsenachse 12 gegenüber der Zylinderachse begrenzt bleiben muss, um den für den Coanda-Effekt maßgebenden Anlegungswinkel nicht zu unterschreiten. Bei gegebenem Öffnungswinkel α darf somit gemäß der Fig. 1 der kleinste Winkel ß zwischen dem Mantel des Düsenstrahls 11 und dem Zylindermantel 6 den Anlegungswinkel nicht unterschreiten. Dies bedeutet andererseits, dass bei gegebenem Neigungswinkel der Düsenachse 12 der Öffnungswinkel α des Düsenstrahls 11 entsprechend begrenzt werden muss.

[0015] Damit diese unterschiedlichen Forderungen mit einfachen konstruktiven Mitteln erfüllt werden können, ist die Einspritzdüse 4 in Form einer Mehrloch-Niederdruckdüse mit einer Düsenplatte 15 ausgebildet, deren Düsenöffnungen 16 innerhalb eines Hüllkreises 17 so angeordnet sind, dass sich die einzelnen Düsenstrahlen zu einem gemeinsamen Düsenstrahl 11 vereinigen, dessen Öffnungswinkel α durch die Ausrichtung der Düsenöffnungen 16 vorgegeben werden kann. Wird gemäß der Fig. 2 das Einspritzventil 4 durch eine Beaufschlagung des Ventilkörpers 18 geöffnet, so wird der Kraftstoff durch die Düsenöffnungen 16 mit einem vergleichsweise geringen Impuls in Form des Düsenstrahls 11 in den Brennraum gespritzt und trifft dort auf die resultierende Spülluftströmung, um sich in dieser Luftströmung fein zu verteilen, ohne die Spülluftströmung in störender Weise zu beeinflussen. Das Kraftstoff-Luftgemisch wird nach der Fig. 1 entsprechend den Strömungsverhältnissen vom Kolbenboden weg nach oben gegen den Zylinderkopf geführt, wobei die Geschwindigkeitsvektoren 10, 13 einerseits der Luftströmung und anderseits des Düsenstrahls 11 des eingespritzten Kraftstoffs den Strömungsweg bestimmen. Dieser Strömungsweg des Kraftstoff-Luftgemisches soll sich tunlichst nicht an den Zylindermantel 6 anlegen, um eine Benetzung des Zylindermantels 6 mit Kraftstoff zu vermeiden. Dies gelingt, wenn bei einem gegen den Zylindermantel 6 geneigten resultierenden Vektor 14 der Neigungswinkel γ dieses Vektors 14 gegenüber dem Zylindermantel 6 höchstens 20° beträgt.

Claims

Patentansprüche

1. Zweitakt-Verbrennungsmotor mit wenigstens einem einen Kolben (2) aufnehmenden Zylinder (1) und mit wenigstens einer in eine Bohrung (5) im Zylindermantel (6) eingesetzten Einspritzdüse (4) in Form einer Mehrloch-Niederdruckdüse, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrloch-Niederdruckdüse eine Düsenplatte (15) mit innerhalb eines Hüllkreises (17) angeordneten Düsenöffnungen (16) zur Ausbildung eines gemeinsamen Düsenstrahls (11) mit einem von der Neigung der Düsenachse (12) gegenüber der Mündungsfläche der Bohrung (5) abhängigen, ein Anlegen des Düsenstrahls (11) an den Zylindermantel (6) unterbindenden Öffnungswinkel (a) aufweist und dass bei einem gegen den Zylindermantel (6) geneigten resultierenden Vektor (14) aus dem Geschwindigkeitsvektor (13) des Düsenstrahls (11) in Richtung der Düsenachse (12) und dem Geschwindigkeitsvektor (10) der Spülluftströmung in Strömungshauptrichtung der resultierende Vektor (14) mit dem Zylindermantel (6) einen maximalen Neigungswinkel (y) von 20° einschließt.

2. Zweitakt-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenplatte (15) wenigstens drei über den Umfang des Hüllkreises (17) verteilte Düsenöffnungen (16) aufweist.

3. Zweitakt-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hüllkreis (17) der Düsenöffnungen (16) einen Durchmesser aufweist, der zumindest einem Drittel des Radius der die Einspritzdüse (4) aufnehmenden Bohrung (5) im Zylindermantel (6) entspricht. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen