Luftverdichtende selbstzündende Brennkraftmaschine, insbesondere Dieselmotor Die Erfindung betrifft eine luftverdichtende selbst zündende Brennkraftmaschine, insbesondere einen schnellaufenden Dieselmotor mit Einspritzung des flüssigen Kraftstoffes gegen Ende des Verdichtungs hubes in eine im Zylinderkopf angeordnete Wirbel kammer, deren überströmkanal in diese tangential einmündet und bei welcher der Kraftstoff in Form eines Films auf die Wirbelkammerwand aufgebracht und durch eine gleichsinnig zur Kraftstoffeinspritzung rotierende Luftbewegung von der Wirbelkammer wand in Dampfform allmählich abgelöst, mit der Luft vermischt und danach verbrannt wird.
Zweck der Erfindung ist es, bei derartigen, bis lang nur mit rotationskörperförmigem Brennraum im kolben bekannten Brennkraftmaschinen eine Verbes serung der Kraftstoffeinspritzung und Gemischbil dung nach dem gleichen Gemischbildungsprinzip auch dann zu erreichen, wenn eine Wirbelkammer als Brennraum verwendet wird.
Man war bisher bestrebt, im Verbrennungsraum von selbstzündenden Dieselmotoren, insbesondere solchen mit vom Hubraum abgeteiltem Brennraum im Zylinderkopf oder Kolben einen feinverteilten Kraftstoffnebel zu erzeugen und am Ende des Ver dichtungshubes durch den sich mehr und mehr ver engenden, zwischen Zylinderkopf und der Brenn- raumöffnung liegenden Ringspalt der Luft eine sol che Strömung zu erteilen, damit diese mit grosser Geschwindigkeit auf den feinverteilten Kraftstoff nebel einwirke, um so eine möglichst schnelle Ge mischbildung zu erreichen.
Die schnelle und unmit telbare Mischung des Kraftstoffes mit der Luft be wirkt eine ausserordentlich schnelle anfängliche Re aktion des Kraftstoffes, welche mit dem typisch har ten Dieselschlag verbunden ist, nicht aber eine gleich mässige Brenngeschwindigkeit unter Vermeidung von Nachbrennerscheinungen. Zwar erreicht man dabei guten Brennstoffverbrauch, doch muss man einen ausserordentlich harten Gang des Motors in Kauf neh men. Mit den sogenannten Kammermotoren (Vor kammer, Wirbelkammer) erreichte man zwar höhere Mitteldrücke und einen etwas ruhigeren Verbren nungsablauf, doch war dies bei diesen Motoren nur unter Inkaufnahme eines grösseren spezifischen Kraftstoffverbrauches möglich.
Es schien bisher nicht erreichbar zu sein, einen ruhigen Gang des Motors mit dem Brennstoffverbrauch der hart laufenden Direkteinspritzmotoren zu vereinigen.
Einen gewissen Fortschritt brachten diejenigen Brennkraftmaschinen mit direkter Einspritzung, bei denen zur Vermischung des Kraftstoffes eine Luft bewegung zu Hilfe genommen wurde, welche wäh rend des Ansaughubes in Form eines sich um die Zylinderachse drehenden Wirbels eingeleitet wurde. Die Brennstoffstrahlen, die beispielsweise von der mistig liegenden Düse radial nach aussen in den Brennraum gelangten, standen dabei senkrecht zu der Luftbewegung mit dem Ziel, dass durch diese Lage der Kraftstoffstrahlen zur Luftbewegung und zur Brennraumform eine sehr gute Verteilung und Auflösung des Kraftstoffes entstehen werde.
Das trat auch ein, und man erhielt Motoren, die höhere Mit teldrücke bei geringerer Abgastrübung gaben, aber doch noch wesentlich härter liefen als beispielsweise Vorkammermotoren. Auch bei dieser Strahllage konnte eine Vereinigung von Gangruhe, geringem Kraftstoffverbrauch und hohem Mitteldruck nicht zu friedenstellend erzielt werden.
Eine grundsätzliche Änderung im Verbrennungs ablauf dieser bislang mit nahezu ausschliesslicher Luftverteilung des zerstäubt eingespritzten Kraftstof fes arbeitenden Brennkraftmaschinen erbrachte erst die eingangs erwähnte Brennkraftmaschine mit aus gesprochener Wandverteilung des Kraftstoffes, wel- ehe Maschinengattung auch der vorliegenden Erfin dung zugrunde liegt.
Bei dieser bekannten Maschine wird der Kraftstoff durch einen oder mehrere vor zugsweise tangential gerichtete Kraftstoffstrahlen von jeweils kurzer freier Strahlweglänge bis zur Auftreff- stelle in Form eines dünnen Films auf die Brenn- raumwand aufgebracht _ und durch eine gleichsinnig zur Kraftstoffeinspritzung gerichtete Luftdrehung in Dampfform allmählich von der Wand abgelöst, mit der Luft vermischt und verbrannt.
Auf diese Weise wird bei niedrigem Kraftstoffverbrauch unter Ver meidung von Russbildung eine Beseitigung des Klopf geräusches erreicht.
Bei dieser bekannten Maschine handelt es sich jedoch um eine solche, bei welcher der rotations- körperförmige Brennraum in Gestalt eines sogenann ten offenen, an seiner Öffnung zum Zylinder hin eingeschnürten Brennraumes im Kolben angeordnet ist. Weitere Untersuchungen haben nun gezeigt, dass man den Gemischbildungserfolg dieser bekannten Maschine auch bei andersartigen Brennraumanord- nungen und Brennraumformen erreichen kann, wenn hierfür besonders geeignete Massnahmen getroffen werden.
Dies ist besonders für Wirbelkammermoto- ren als möglich und zweckmässig befunden worden, bei denen der im Zylinderkopf angeordnete kugel- oder scheibenförmige Wirbelkammerbrennraum mit dem Zylinderraum durch einen halsartigen, tangen- tial einmündenden übertrittskanal verbunden ist, welch letzterer in der Wirbelkammer eine heftige Luftdrehung der beim Verdichtungshub übergescho benen Luft erzeugt.
Für derartige Wirbelkammermotoren sind bislang noch keine Massnahmen angegeben worden, die einen Gemischbildungseffekt wie bei der vorgenannten be kannten Maschine mit offenem Brennraum im Kol ben erwarten lassen. Anderseits können auf eine Wirbelkammermaschine die Massnahmen dieser be kannten Maschine nicht ohne weiteres übertragen werden, da durch die Eigenart der Wirbelkammer andere Luftströmungs- und Gemischbildungsbedin- gungen als bei einem offenen Brennraum gegeben sind.
Will man bei einer Wirbelkammermaschine eine Wandauftragung des Kraftstoffes wie bei der bekann ten Maschine herbeiführen, so ergeben sich hinsicht lich der Zuordnung einer den Kraftstoff erst zur Ver dampfung kommen lassenden und dann ablösenden Luftbewegung besondere Erfordernisse, die bei einem offenen Brennraum nicht zu bedenken sind.
Da im Überströmkanal einer Wirbelkammer ein ausser ordentlich heftiger und gebündelter Luftstrom erzeugt wird, würde eine Zuordnung von Kraftstoffeinsprit zung und Luftbewegung nach Art der bekannten Maschine nicht zum Erfolg führen, da ein unmittel bares Heranführen dieses Luftstromes an die Stelle des Kraftstoffaustrittes im Gegensatz zu der mässige ren Luftströmung in einem offenen oder halboffenere Brennraum den Kraftstoffstrahl unweigerlich zerrei ssen würde.
Es muss viehmehr dafür Sorge getragen werden, dass der Kraftstoff von seiner Ausbreitung an der Wirbelkammerwand zunächst der ausser ordentlich heftigen Luftbewegung, wie sie insbeson dere unmittelbar am Eingang des Luftüberström- kanals in die Wirbelkammer auftritt, entzogen wird. Nur auf diese Weise kann unter möglichster Vermei dung von Luftzerstäubung überwiegend auch hier nur solcher Kraftstoff mit der Luft zur Vermischung ge langen, der zuvor an der Wirbelkammerwand ver dampft wurde.
Die vorliegende Erfindung besteht demgemäss darin, dass die Strahlaustrittsmündung der Einspritz düse im Abstand von der überströmkanalmündung angeordnet ist, zum Zwecke, den Kraftstoff in einer Wirbelzone einzuspritzen, in welches ein Mitreissen des noch flüssigen Kraftstoffes und dessen sofortige - direkte - Vermischung mit der Verbrennungsluft auf die zur Einleitung der Zündung notwendige Menge beschränkt bleibt, und dass mindestens ein Kraftstoffstrahl von möglichst kurzer freier Strahl weglänge innerhalb der Brennkammer mindestens annähernd unter tangentialem Auftreffen auf die Brennkammerwand gerichtet ist,
um eine möglichst grossflächige Auftragung auf diese Wand zu errei chen, die dabei auf einem Temperaturniveau gehal ten ist, das im Bereich der natürlichen Siedetempera tur des Kraftstoffes liegt. Dabei kann die Strahlaus- trittsmündung der Düse gegenüber der Lufteintritts mündung des tangential einmündenden überström kanals um einen Abstand in Richtung der durch die sen Kanal erzeugten Luftdrehung oder um einen Ab stand quer zu dieser Richtung versetzt ausserhalb des unmittelbaren Wirkungsbereiches des Luftstromes auf den eingespritzten Kraftstoff angeordnet sein.
Es ist aber auch möglich, die Strahlaustrittsmündung in beiden genannten Richtungen zu versetzen. Durch die erfindungsgemässe Versetzung der Einspritzdüse bzw. Düsenmündung wird einerseits erreicht, dass trotz der Heftigkeit des gebündelt einschiessenden Luftstromes eine grossflächige Verteilung des Kraftstoffes auf die Brennkammerwand unter ungestörter Ausnutzung der kinetischen Energie des Kraftstoffstrahls möglich wird, während anderseits eine intensive Berührung der Luft mit dem Kraftstoff erst an den Stellen der Brennkammer zur Wirkung kommt,
wo der Kraft stoff bereits in dünner Schicht an der Wand ausge breitet und der im überströmkanal gebündelte Luft strom zu weitläufiger Entfaltung gelangt ist. Die Auf dampfwirkung wird dabei hervorgerufen einesteils durch die im Bereich der natürlichen Siedetempera tur des Kraftstoffes liegende Temperatur der Wirbel kammerwand, anderseits aber auch durch die Wärme strahlung, die die beginnende Verbrennung auf die Wandung ausübt. Ein Vermischen von flüssigem Kraftstoff mit der Luft, beispielsweise durch Rand ablösung, bleibt auf die für die Einleitung der Zün dung erwünschte geringe Menge beschränkt. Auf diese Weise lassen sich auch bei einer Wirbelkammer günstige Voraussetzungen für die erfindungsgemäss angestrebte Gemischbildung schaffen.
In der Zeichnung ist die Erfindung in ihrer An wendung auf Wirbelkammermotoren an mehreren Ausführungsbeispielen veranschaulicht. Hierbei ist Fig. 1 ein Teilquerschnitt eines Dieselmotors mit erfindungsgemässer Kraftstoffaufbringung auf die Wandung eines Wirbelkammerbrennraumes, bei dem der halsartige überströmkanal so angeordnet ist, dass der dadurch beim Verdichtungshub in die Wirbel kammer eindringenden Verbrennungsluft eine Dreh bewegung nach einwärts,
das heisst nach der Zylin- derkopfmitte hin, erteilt wird; Fig. 2 ein Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1 mit Darstellung von weiteren Teilen im Grundriss; Fig. 3 ein Teilquerschnitt ähnlich Fig. 1, jedoch mit erfindungsgemässer Kraftstoffaufbringung auf die Wandung eines Wirbelkammerbrennraumes, bei dem der halsartige überströmkanal umgekehrt angeordnet ist wie in Fig. 1;
Fig.4 ein Schnitt längs der Linie IV-IV in Fig.3 bei zweistrahliger Kraftstoffaufbringung auf der Brennraumwand; Fig. 5 eine schematische Breitenansicht eines Wälzkammerbrennraumes für einen Dieselmotor, auf dessen Brennraumwandung der Kraftstoff in der er findungsgemässen Weise aufgebracht wird; Fig. 6 eine Stirnansicht zu Fig. 5 gemäss der Linie VI-VI in Fig. 5.
In Fig. 1 bis 6 ist jeweils mit 1 der Arbeitszylin der, mit 2 der Kolben und mit 3 der Zylinderkopf bezeichnet. Im Zylinderkopf von Fig. 1 ist eine Wir belkammer 4 als Brennraum vorgesehen, deren hals artiger überströmkanal 5 so ausgebildet und ange ordnet ist, dass dadurch der beim Verdichtungshub in der Pfeilrichtung 6 eindringenden Luft eine Dreh bewegung in der Pfeilrichtung 7, das heisst nach der Zylinderkopfmitte hin, erteilt wird.
Etwas oberhalb der Lufteintrittsmündung 8 des überströmkanals 5, jedoch um den Abstand d seitlich davon versetzt (siehe Fig. 2), befindet sich die Düsenmündung 9 der Einspritzdüse 10, aus welcher der Kraftstoffstrahl 12 in der Drehrichtung der Luft unmittelbar auf die Wandung 11 des Wirbelkammerbrennraumes 4 auf gebracht wird; die Strahllage des Kraftstoffstrahls 12 ist dabei so gerichtet, dass ein überschneiden dessel ben mit dem durch die Lufteintrittsöffnung 8 ein schliessenden Luftstrahl nicht stattfindet, so dass die filmartige Ausbreitung des flüssigen Kraftstoffes an der Brennraumwand nicht gestört wird.
Statt nur eines Kraftstoffstrahls 12 können auch mehrere vor gesehen sein, sofern sie nur auf gleicher Strahlebene liegen und die filmartige Ausbreitung des Kraftstoffes gewährleistet ist. Während bei den bisher bekannt gewordenen Wirbelkammermotoren die Strahlrich tung des oder der in die Brennkammer eingespritzten Kraftstoffstrahlen im allgemeinen immer sehnenför- mig oder radial angegeben ist, ist hier eine tangen- tiale Einspritzung längs der Brennraumwandung vor gesehen,
um die Vermischung des flüssigen Kraft stoffes mit der eintretenden Luft soweit als möglich zu unterbinden. Dies gelingt noch besser, wenn man - wie am deutlichsten in Fig. 2 zu ersehen - die Einbauebene der Kraftstoffdüse 10 bzw. der Düsen mündung 9 und die Ebene der Lufteintrittsöffnung 8 gegeneinander versetzt.
Die Einspritzdüse 10 bzw. Düsenmündung 9 sind sonach bewusst nicht in den überströmkanal 5 oder vor denselben gesetzt, sondern an eine Brennraum- stelle, an der der Luftstrahl durch sein Eindringen in die Wirbelkammer bereits nach allen Seiten expan diert und damit an Kraft verloren hat. Die in Fig. 1 dargestellte Einbaulage der Einspritzdüse 10 zeigt etwa den geringsten vertikalen Abstand e an, den man bei Anordnung in der gleichen Ebene der Düse 10 von dem Lufteintrittsloch 8 geben kann, um noch eine Filmgemischbildung zu erreichen.
Bei zur Zylinderachse exzentrischer Anordnung einer rotationskörperförmigen Wirbelkammer und bei einer eine Luftdrehung von der Zylinderachse fort bewirkende Anordnung des Luftübertrittskanals, kann die Mündung der Einspritzdüse der Luftein- trittsmündung in einer die Wirbelkammer durchset zenden Ebene angenähert diametral gegenüberliegen, wobei zwei mit kurzer freier Wegstrecke und unter spitzem Auftreffwinkel in Richtung der Luftdrehung auf die Wirbelkammerwand aufgetragene Brennstoff strahlen fächerartig so verteilt sind,
dass die Luftein- trittsmündung im toten Winkel dieser Brennstoff strahlen liegt, dessen Wandungsabschnitt vom Kraft stoff nicht benetzt wird, wie das in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist. Unter toter Winkel wird dabei die Brennraumwandungsfläche beiderseits der Luftein- trittsmündung verstanden, welche vom Kraftstoffilm nicht mehr benetzt wird.
Die fächerartige Auftragung des Kraftstoffes auf eine Brennraumwand ist bei Ver brennungsmotoren mit im Kolben angeordnetem ro- tationskörperförmigem Brennraum zwar an sich be kannt, jedoch dient sie dort dazu, die Kraftstoff- fihnfläche in zusammenhängender Form an der Brennraumwand auszubreiten.
In Fig. 3 und 4 ist eine Wirbelkammer 4a gezeigt, deren überströmkanal 5a umgekehrt angeordnet ist wie in Fig. 1, so dass der beim Verdichtungshub in die Wirbelkammer einschliessenden Luft eine Bewe gung in Richtung der eingezeichneten Pfeile<I>6a, 7a</I> erteilt wird, das heisst eine Drehbewegung nach aus wärts von der Zylinderkopfmitte weg. Der Einspritz düse 10 nebst Düsenmündung 9 liegen in diesem Falle der Lufteintrittsmündung 8a des überström kanals 6a ebenengleich gegenüber.
Diese Anordnung ist beispielsweise dann angezeigt, wenn die Forde rung besteht, die Einspritzdüse in der Symmetrieachse des Brennraumes unterzubringen, was aus konstruk tiven Gründen vielfach erwünscht ist. Bei dieser An ordnung kann die unmittelbare Vermischung von flüssigem Kraftstoff mit der Einströmluft und die Bildung des Kraftstoffilms an einer von der Luft un berührten Stelle der Brennraumwand 11a beispiels weise dadurch erreicht werden,
dass die Kraftstoff strahlen 13 und 14 beiderseits der Lufteintrittsöff- nung 8a und an dieser vorbei an der Brennraumwand 11a vorgelagert werden. Das Strahlbild hierfür ist im Schnitt gemäss F ig. 4 angegeben. Man erreicht auf diese Weise, dass zwar der Kraftstoffilm sich in un mittelbarer Nähe der heftig bespülten Lufteintritts mündung 8a bildet, ohne dass jedoch der durch die Öffnung 8a einschiessende Luftstrahl den Kraftstofr vor seiner Berührung mit der Wandung mitreissen kann.
In Fig. 5 und 6 ist schematisch ein Wirbelkam- merbrennraum gezeigt. In die scheibenförmige Wir belkammer 15 wird beim Verdichtungshub die Luft durch den überströmkanal 16 verdrängt, wobei der selben eine Drehbewegung in Richtung der Pfeile 17, 18 erteilt wird.
Aus der Düsenmündung 9 der Ein spritzdüse 10 wird der Kraftstoffstrahl 19 in Dreh richtung der Luft unmittelbar auf die Brennraumwan- dung 20 aufgetragen, wobei Sorge dafür getragen ist, dass die aus der Lufteintrittsmündung 16a des über strömkanals 16 in die Brennkammer 15 einschlie ssende Luft die Kraftstoffilmbildung an der Brenn- raumwand nicht beeinträchtigt.
Dies wird einmal da durch erreicht, dass der überströmkanal 16 und die Düsenmündung 9 in der Querrichtung des Brenn- raumes 15 gegenseitig um den Abstand f versetzt sind und dass anderseits der Kraftstoffstrahl 19 so gerichtet ist, dass er den aus dem Überströmkanal 16 austretenden Luftstrom erst überschneidet, wenn der Film ausgebildet ist.
Als Brennraumfläche, auf der sich der Kraftstoffilm ausbreitet, braucht keinesfalls nur die peripherische Rundung 20a (siehe Fig. 6) be nutzt zu werden, vielmehr kann dazu mit Vorteil auch eine der scheibenförmigen Wandungen 20b, 20e be nutzt werden, je nachdem welcher Brennraumseite die Einspritzdüse 10 zunächstliegt. Hierdurch kann man auch den Abstand f der beiden Vertikalebenen, in denen der Luftübertrittskanal 16 und die Düsen mündung 9 angeordnet sind, in günstiger oder ge wünschter Weise beeinflussen.
Auch hier kann statt nur eines Kraftstoffstrahls 19 eine Serie mehrerer Kraftstoffstrahlen benützt werden, sofern nur die Vorlag erung an der Brennraumwand und die Strahl richtung die grösstfläehige filmartige Ausbreitung des Kraftstoffes sicherstellen.
Ist die Wirbelkammer scheibenförmig ausgebil det, dann ist die seitliche Versetzung der Einspritz düse wie bei der zuersterwähnten Wirbelkammer zu bevorzugen.