Verfahren zum Betrieb einer luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschine Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Be trieb einer luftverdichtenden, selbstzündenden Brenn- kraftmaschine. Eine nach diesem Verfahren arbei tende Brennkraftmaschine ist in der deutschen Pa tentschrift Nr. 865 683 beschrieben.
Bei dieser Brenn- kraftmaschine wird der flüssige Kraftstoff gegen Ende des Verdichtungshubes in den Zylinder eingespritzt und ohne wesentliche Vorzerstäubung durch die Ver brennungsluft auf eine Brennraumwand aufgetragen und dort in Filmform ausgebreitet. Die Brennraum- wand ist dabei auf einer Temperatur gehalten, die unter der thermischen Zerfalltemperatur des Kraft stoffes, aber noch in dessen Siedebereich liegt.
Diese thermische Zerfallstemperatur des Kraft stoffes, das heisst die Temperatur des Kraftstoffes, bei der sein thermischer Zerfall (Pyrolyse) merkbar in Erscheinung tritt, ist eine sehr verwickelte Funk tion der Verweilzeit des Kraftstoffes, des Druckes, der Art des Kraftstoffes, der Anwesenheit von Fremdstoffen, des Materials der Brennraumwandung u. a. m. Von Interesse ist natürlich nur die Zerfall temperatur der Kraftstoffe bei den Verhältnissen im Brennraum eines Motors, bei dem das erfindungs gemässe Verfahren Anwendung findet.
Auf Grund von Versuchen mit einem derartigen Motor wurde festgestellt, dass die thermische Zerfallstemperatur sowohl für einen zündwilligen Dieselkraftstoff als auch für ein relativ zündunwilliges Autobenzin im Bereich von 400 bis 450 C zu liegen kommt, so dass es für die genannten Kraftstoffe ratsam erscheint, die Temperatur der Brennraumwand nicht wesentlich über 380 C ansteigen zu lassen.
Um den Kraftstoff in Filmform auf der Brenn- raumwand auszubreiten, erfolgt dessen Auftragung auf die Wandung des Brennraumes in der Weise reflexionsfrei, dass eine möglichst grosse Fläche der Brennraumwand mit Kraftstoff benetzt wird, der an der Wand haften bleibt; dies wird dadurch erreicht, dass ein oder mehrere Kraftstoffstrahlen bei jeweils kurzer freier Strahlweglänge unter spitzem Auftreff- winkel auf die Brennraumwand gerichtet sind.
Die Verbrennungsluft, welcher bereits bei ihrem Eintritt in den Zylinder eine Rotationsbewegung gleichsinnig zur Kraftstoffeinspritzung erteilt wird, wird dabei mit hoher Geschwindigkeit an den Auftreffstellen des Kraftstoffes und der filmartig vom Kraftstoff be netzten Wandungsfläche vorbeigeführt, wodurch der Kraftstoff allmählich in Dampfform von der Wand abgelöst, mit der Luft vermischt und verbrannt wird.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist eine Ver besserung des Verfahrens zum Betrieb derartiger, bekannter Brennkraftmaschinen zu erzielen, und zwar durch besondere Massnahmen hinsichtlich der Kraft stoffeinspritzung und des Verdichtungsverhältnisses, welche eine zuverlässige Zündung gewährleisten, ohne dass dadurch die Eigenschaften der bekannten Maschine im Hinblick auf geräuscharmen Verbren nungsablauf und Wirtschaftlichkeit nachteilig beein flusst werden.
Die bekannte Maschine weist insofern einen entscheidenden Fortschritt gegenüber allen sonstigen mit überwiegender Luftverteilung des Kraftstoffes arbeitenden Brennkraftmaschinen auf, als durch die filmartige Auftragung des Kraftstoffes an der Brenn- raumwand vorzeitige chemische Zerfallsreaktionen des Kraftstoffes, die einen zu plötzlichen Verbren nungsablauf mit hohen Drucksteigerungen und Auf treten von Klopfgeräuschen zur Folge haben, ver mieden werden.
Es hat sich nun aber gezeigt, dass bei einer film artigen Auftragung des Kraftstoffes auf die Brenn raumwand mit Ablösung und Vermischung dessel ben in Dampfform an die Zündung des so gebildeten Brennstoffdampf-Luftgemisches bestimmte Anforde- rangen zu stellen sind, die bei der bekannten Ma schine noch nicht in befriedigender Weise erfüllt werden. Die Zündung in einer Dieselmaschine wird bekanntlich durch die am Ende des Verdichtungs hubes entstehende Kompressionswärme herbeigeführt.
Während nun bei Brennkraftmaschinen, welche mit ausgesprochener Luftverteilung des Kraftstoffes ar beiten, in dieser Hinsicht keine Schwierigkeiten be stehen, da die Verdichtungsendtemperatur über der Zündtemperatur des in die Luft eingespritzten Kraft stoffes liegt und der in die Luft verteilte Kraftstoff im Dampfzustand den Zündpunkt der Flüssigkeit aufweist, ist dies bei einem Gemisch, das aus an der Brennraumwand verdampftem Kraftstoff und Luft besteht, wesentlich anders.
Der Verdampfungs- vorgang an der Brennraumwand, der schnell aufein anderfolgend nur Teilmengen erfasst, lässt ein Brenn stoffdampf-Luftgemisch entstehen, dessen Zündpunkt so hoch liegt, dass es in der kurzen zur Verfügung stehenden Zeit allein durch die Verdichtungsendtem- peratur nicht mehr gezündet werden kann.
Denn der Zündpunkt derartiger Gemische liegt erfahrungsge mäss bei etwa 700 C, während die bei der Kompres sion entstehende Endtemperatur nur etwa 500 erreicht. Würde man also den Kraftstoff 100 % ig auf die Wand verteilen und in dieser Verteilung zur Verdampfung bringen, dann würde eine Zündung durch die Kompressionswärme nicht mehr zustande kommen.
Das Verfahren nach vorliegender Erfindung be ruht auf der Erkenntnis, dass bei der Bildung eines Gemisches, welches aus an der Brennraumwand ver dampftem Kraftstoff und Luft besteht, zur Einleitung der Zündung ein luftverteilter Kraftstoffanteil erfor derlich ist, der eine bestimmte Mindestgrenze ein halten mass, damit bei allen Betriebszuständen eine zuverlässige Zündung gewährleistet ist.
Diesem Um stand wird die bekannte, mit Wandverteilung des Kraftstoffes arbeitende Bremskraftmaschine nur in unvollkommener Weise insoweit gerecht, als zwang läufig auch dort mit der auf die Wand verteilten Kraftstoffeinspritzung durch Randablösung eine ge wisse Luftverteilung verbunden ist, welche vom ge schlossenen Kraftstoffstrahl abgesplitterte Kraftstoff- teilchen zur unmittelbaren Vermischung mit der Luft gelangen lässt, wodurch die Einleitung der Zündung für das übrige Brennstoffdampf-Luftgemisch ermög licht wird.
Eine in dieser Weise bewirkte Zündung ist jedoch unbestimmt, das heisst mehr oder weniger noch dem Zufall überlassen und führt zum Versagen, wenn die Wandverteilung des Kraftstoffes über eine zulässige Höchstgrenze hinaus ausgedehnt wird, wie dies bei der bekannten Maschine freigestellt ist. Anderseits gibt die bekannte Maschine auch noch keinen Aufschluss darüber, wie bei Unterteilung der Kraftstoffeinspritzung in einen wand- und luftverteil ten Kraftstoffanteil bestimmter Grössenordnungen das Verdichtungsverhältnis zu wählen ist, welches für die Zündung des luftverteilten Kraftstoffes gleichfalls eine Rolle spielt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zu schaffen, dass diese bei der be kannten Maschine noch bestehenden Mängel be seitigt. Das Verfahren nach der Erfindung besteht darin, dass bei einer Brennkraftmaschine mit Wand verteilung des Kraftstoffes der eingangs beschriebenen Art der Hauptteil des eingespritzten Kraftstoffes, jedoch nicht mehr als 98 0/0, in filmartiger Verteilung auf die Brennraumwand aufgetragen wird, während gleichzeitig der restliche Teil des Kraftstoffes,
min- destens aber 2 % und höchstens so viel, dass sich beim Startlauf der Maschine gerade kein wahr nehmbares Zündgeräusch mehr zeigt, in die Ver brennungsluft eingespritzt wird, wobei das Verdich tungsverhältnis so gewählt ist, dass eine Selbstzün dung des luftverteilt eingespritzten Kraftstoffanteils mit Sicherheit erfolgt, dass dagegen der auf die Wand aufgebrachte Kraftstoff allein nicht zündet.
Die Zündung wird sonach als Selbstzündungs- vorgang eines bestimmten luftverteilten Kraftstoff anteils, der eine Mindestgrenze nicht unterschreiten und eine Höchstgrenze nicht überschreiten darf, sichergestellt.
Die Luftverteilung des Kraftstoffes liegt dabei zweckmässig zwischen 2 und 10%. Da- durch ergibt sich eine gute Stabilisierung der Zün dung, und es erübrigt sich der Einbau einer Hilfs zündung, welche nach in der Dieselmotorentechnik bekannten Vorbildern bei unsicheren Zündverhält- nissen das nächstliegende wäre.
Die Wahl des Verdichtungsverhältnisses, welche in der angegebenen Weise auf die Zündeigenschaften des Luft- und wandverteilten Kraftstoffes abgestellt ist, hängt natürlich auch von der Art des verwen deten Kraftstoffes ab und wird mit durch den vor gegebenen Zylinderdurchmesser bestimmt. Das Ver dichtungsverhältnis einer Maschine betrieben gemäss dem Verfahren nach der Erfindung liegt im Bereich der bei Dieselmaschinen üblichen Werte, ist hierbei jedoch infolge der vorgegebenen Bedingungen ver hältnismässig eng begrenzt. Für den Betrieb mit schwer zündenden Kraftstoffen (Teeröle, Gasöle oder dergleichen) kommt beispielsweise ein Ver dichtungsverhältnis 1 : 17, bei Betrieb mit leicht selbstzündenden Kraftstoffen wie Benzin ein Ver dichtungsverhältnis von etwa 1 : 20 in Betracht.
Eine Maschine zur Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung ist weiterhin auch hinsichtlich der Formgebung des Brennraumes an gewisse Vor aussetzungen gebunden, die ähnlich wie bei der bekannten Maschine im wesentlichen darin bestehen, dass 1. eine filmartige Auftragung des Kraftstoffes mög lich ist, 2. die erforderliche Wandtemperatur gewährleistet ist und 3. die Verbrennungsluft im Brennraum eine beson ders intensive, über die vom Kraftstoff benetzte Wandungsstelle hinwegstreichende Luftbewegung ausführen kann. Praktisch kommen dabei in erster Linie Brenn- räume in Betracht, wie sie in der deutschen Patent schrift Nr. 865683 aufgezeigt sind.
Auch die Luft bewegung wird zweckmässig in der gleichen Weise wie dort vorgesehen.
Die Vorteile der Anwendung des erfindungs gemässen Verfahrens liegen gegenüber dem Bekann ten darin, dass unter Beibehaltung der dieser letzteren eigentümlichen ruhigen, stossfreien Verbrennung bei geringer Abgastrübung und wirtschaftlichem Kraft stoffverbrauch für alle Betriebszustände auch die Zündung des Brennstoffdampf-Luftgemisches in ein wandfreier Weise gewährleistet und stabilisiert ist.
Zum Stande der Technik wird folgendes be merkt: Über die reaktionskinetischen Wirkungen einer Wandberührung des Kraftstoffes ist zwar schon früher berichtet worden, jedoch ist dort, ungeachtet der erkannten Zusammenhänge, noch die Ansicht vertreten, dass in der Wandberührung des Kraftstoffes ein den anordnungsgemässen Ablauf der Gemisch bildung hemmender Vorgang zu sehen sei, da die Gemischbildung über die Brennraumwand einen zeitlichen Umweg darstellt. Diese Anschauung trifft für die damals bekannten Ausführungsformen von Dieselmotoren zweifellos zu.
Durch die deutsche Patentschrift Nr. 865683 sind jedoch erstmals grund sätzlich und durch das Verfahren nach der vorlie genden Erfindung in verbesserter Form die Vor aussetzungen angegeben worden, unter denen man die Wandberührung des Kraftstoffes in vorteilhafter Weise gegenüber der herkömmlichen Gemischbil dung zur Anwendung bringen kann.
Weiterhin ist auch bereits ein älterer Vorschlag bekannt, wonach bei einem rotationskörperförmigen Brennraum mit taschenartigen Einschnitten an der Brennraumöffnung einer Brennkraftmaschine der Kraftstoff durch einen dieser Einschnitte so einge spritzt wird, dass der Einspritzweg längs der Brenn- raumwand verläuft und auf diese Weise Kraftstoff auf die Brennraumwandung gelangt;
hierbei soll durch die Einschnitte an der Brennraumöffnung eine Luftbewegung herbeigeführt werden, welche die Zer- stäubung des Kraftstoffes und Vermischung dessel ben mit der Verbrennungsluft bewirkt.
Auch diese vorbekannte Anordnung entspricht nicht dem Vor gehen beim Verfahren nach vorliegender Erfindung, indem dort keine Massnahmen vorgesehen sind, dass der Kraftstoff unvermischt und filmartig auf die Wand kommt und dass gegebenenfalls auf die Wand gelangender Kraftstoff so weiterbehandelt wird, dass er erstens nicht an der Wand vorzeitig chemisch zer fällt und zweitens ohne einen solchen Zerfall in Teil mengen aufeinanderfolgend im wesentlichen nur in Dampfform mit der Verbrennungsluft zur Vermi schung gelangt.
Da bei der bekannten älteren An ordnung die innige Vermischung von hochzerstäub tem Kraftstoff mit der Luft im Sinne der bisherigen Anschauung und im Gegensatz zur vorliegenden Er findung gewolltes Ziel und Ergebnis der dort vor- gesehenen Massnahmen ist, sieht diese bekannte Brennraumanordnung eine Einspritzung des Kraft stoffes nicht nur in Richtung der Luftbewegung, son dern in gleicher Weise entgegen der letzteren vor, wodurch die beabsichtigte Zerstäubung und Luft verteilung des Kraftstoffes noch gesteigert werden soll.
In der beiliegenden Zeichnung ist ein Ausfüh rungsbeispiel eines Zylinders, -eines Kolbens und einer Einspritzdüse einer Brennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt: Fig. 1 einen Längsschnitt durch Zylinder und Kolben einer Brennkraftmaschine mit Brennraum im Kolben und Kraftstoffeinspritzung gemäss der Erfindung, Fig. 2 eine Draufsicht auf den Kolben nach Fig. 1 mit Brennraum, mit Darstellung der Einspritzdüse,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch den Mündungs teil einer Einspritzdüse mit Kernstrahl und Rand strahlen und Fig. 4 einen Längsschnitt ähnlich Fig. 1, jedoch unter Verwendung einer Mehrlochdüse.
Im Kolben 1 des nur angedeuteten Zylinders 2 ist der Brennraum 3 eingeschnitten, welcher Rota tionskörperform aufweist, z. B. elliptisch ausgebil det ist. Die Kolbenstellung in unmittelbarer Nähe der obern Totpunktlage ist durch die Linie 4 ange deutet, welche zugleich die Zylinderdeckelebene dar stellt.
5 ist die Einspritzdüse, welche derart exzen trisch zur Brennraummitte angeordnet ist, dass ihr mündungsseitiges Ende 5a in der obern Totpunkt stellung des Kolbens - im Bereich der Brennraum- öffnung - nahe der Brennraumwand liegt. Die Brennraumöffnung kann dabei durch einen hals artigen Übertrittskanal 6 gebildet sein.
Aus der Düse 5 wird der wesentliche Teil des pro Arbeitstakt eingespritzten Kraftstoffes, jedoch nicht mehr als 98 %, in Form eines geschlossenen Kraftstoffstrahls 7 bei kurzer freier Strahlweglänge L und unter angenähert tangentialem Auftreffwinkel, auf die Brennraumwand gespritzt, so dass sich der Kraftstoff dort in Form eines Films 8 ausbreitet.
Der restliche Teil des eingespritzten Kraftstoffes, jedoch mindestens 20/0 und höchstens so viel, dass sich beim Startlauf gerade kein wahrnehmbares Geräusch mehr zeigt (z. B. 1011h), wird dagegen nicht auf die Wand, sondern - wie in Fig. 1 und 2 unter 7a angedeutet - in die gleichsinnig zur Wandauftragung des Kraft stoffes im Brennraum kreisende Verbrennungsluft eingespritzt, wobei die Rotationsbewegung der Luft um die Brennraumachse 9 durch den Pfeil 10 ange deutet ist.
Die Wand- und Luftverteilung des Kraftstoffes in der angegebenen Grössenordnung kann beispiels weise durch eine an sich bekannte Zapfendüse erreicht werden, deren mündungsseitiger Endteil in Fig. 3 vergrössert dargestellt ist. Der Düsenöffnungs- oder Einstelldruck derartiger Düsen liegt zwischen 80 und 175 atü. Die als Ganzes mit 11 bezeichnete Düsennadel hat an ihrem der Düsenmündung zu liegenden Ende einen besonders ausgebildeten koni schen Spritzzapfen 12, der mit geringem Spiel in das Spritzloch 13 des Düsenkörpers 14 hineinragt.
Hier durch formt sich der wesentliche Teil des Kraftstoffes infolge der innern Kontraktionskräfte des Kraftstoffes zu einem geschlossenen Kernstrahl 17, während durch die konische Ausführung der Spritzzapfen ein kleinerer Teil des Kraftstoffes in einem kegelför migen Mantel 16 zerstäubt wird. Derartige Düsen sind im Handel mit Spritzzapfen verschiedenster Formgebungen und Abmessungen erhältlich, wo durch die Forderungen der Praxis hinsichtlich An passung des Einspritzstrahls an eine gewünschte Strahlform und Kraftstoffverteilung weitgehend er füllbar sind.
Zur Durchführung des Verfahrens wird ein Spritzzapfen 12 gewählt, der bei geöffneter Spritz- lochmündung 13 einen im wesentlichen geschlossenen Kernstrahl 17 (entsprechend 7 in Fig. 1 und 2) er gibt, welcher so bemessen ist, dass er die Hauptmasse des eingespritzten Kraftstoffes (bis zu 98 "/o.) enthält.
Der Abspritzdruck ist dabei ausreichend, damit der Kernstrahl 17 bzw. 7 in geschlossener Form, das heisst ohne wesentliche Vorzerstäubung durch die Luft, auf die Brennraumwandung gelangt. Da der Kernstrahl 7 tangential auf die Brennraumwand ge richtet ist, ist eine Filmbildung des an der Wand zerfliessenden Kraftstoffes sichergestellt.
Der Rest von 2 % oder mehr bis max. 10 % des eingespritzten Kraftstoffes wird in Form des Randstrahls 16 in Fig. 3 bereitgestellt und fächerartig so auseinander gezogen, dass dieser Kraftstoffanteil im wesentlichen ohne Wandberührung in zerstäubter flüssiger Form unmittelbar mit der Verbrennungsluft vermischt wird.
Statt einer Zapfendüse kann auch eine Mehr lochdüse benützt werden, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. Auch derartige Düsen sind an sich bekannt und im Handel erhältlich. Bei dieser Düsenart sind zur Durchführung des Verfahrens am mündungsseitigen Düsenende eine oder mehrere Hauptbohrungen 18 vorgesehen, die in der obern Totpunktstellung des Kolbens unmittelbar auf die Brennraumwand ge richtet sind.
Die Bohrungen 18 sind im Durchmesser so bemessen, dass wiederum der grösste Teil des ein- gespritzten Kraftstoffes, jedoch nicht mehr als 98 %, in Form eines oder mehrerer geschlossener und tan- gential zur Brennraumwand gerichteter Kraftstoff strahlen 7 auf die Wand aufgebracht wird.
Um auch hier eine geschlossene Strahlform zu erreichen, ist das Verhältnis von Bohrungsdurchmesser zu Boh rungslänge mindestens 1 : 4 gewählt, wodurch sicher- gestellt wird, dass der aus den Bohrungen 18 austre tende Kraftstoff ohne Vorzerstäubung auf die Brenn raumwand-gelangt.
Ausserdem ist am mündungsseiti- gen Ende der Düse 5 mindestens eine weitere Boh rung 19 von wesentlich kleinerem Durchmesser als die Bohrung 18 vorgesehen, die in das Brennraum- innere gerichtet ist;
die Bohrung 19 ist dabei so be messen, dass nur ein kleiner Teil des eingespritzten Kraftstoffes, mindestens jedoch 2 % und höchstens 10 % der insgesamt je Arbeitstakt eingespritzten Kraftstoffmenge zur unmittelbaren Einspritzung in die Verbrennungsluft gelangt.
Wandaufspritzung und Luftverteilung des Kraft stoffes brauchen nicht unbedingt durch ein und die selbe Düse zu erfolgen; der unmittelbar in die Ver brennungsluft eingespritzte Kraftstoffanteil kann auch durch eine besondere Einspritzvorrichtung bereitge stellt werden, wenn dies beispielsweise aus Gründen genau einzuhaltender Mengenabmessung zweckmässi ger erscheint.