Verbrennungsmotor mit direkter Kraftstoffeinspritzung und Verdichtungszündung Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbren nungsmotor mit direkter Kraftstoffeinspritzung und Verdichtungszündung, bei welchem die Anordnung der Kraftstoffstrahlen seines Einspritzventils zum Verbrennungsraum eine rauchfreie und klopflose Ver brennung sichert.
Der drehkörperförmige Verbren nungsraum, dessen Drehachse mit der Zylinderachse völlig oder nahezu zusammenfällt, ist im Kolben un tergebracht und so ausgebildet, dass sich in ihm in der oberen Totpunktlage des Kolbens im Verdich tungshub nahezu die gesamte angesaugte Verbren nungsluft befindet, die vorher in eine drehende Be wegung um die Drehachse des Brennraumes gebracht worden war. Das Einspnitzventil ist gegenüber dem Brennraum zu seiner Achse aussermittig angeordnet und spritzt den Kraftstoff in mindestens zwei Kraft stoffstrahlen von verschiedener freier Länge annä hernd in Richtung der Lufteinströmung in den Ver brennungsraum.
Nach dem heutigen Stande der Technik sind ver schiedene Arten von Brennräumen für klopffreie Ver brennung direkt eingespritzten Kraftstoffes bekannt, unter anderem auch ein kugelförmiger Brennraum mit anschliessendem, zylinderförmigem Hals, auch koaxial zur Zylinderachse angeordnet. In diesen Brennräumen ist es möglich, ein nahezu völlig klopf freies Durchbrennen des eingespritzten Kraftstoffes in der ,intensiv kreisenden Luftfüllung zu erzielen.
Dieses klopffreie Durchbrennen des Kraftstoff-Luft- gemisches ist dort grundsätzlich durch eine solche Anordnung der Kraftstoffstrahlen ,im Brennraum ge währleistet, bei welcher der Kraftstoff aus unmittel barer Nähe auf die Brennraumwandung in Richtung der Luftströmung filmartig aufgebracht wird, an ihr verdampft und offensichtlich an einem von mehreren nebeneinander angeordneten Kraftstoffstrahlen erst nach ihrem Auftreffen auf die heisse Brennraumwand an dieser selbst die erste Zündung eingeleitet wird.
Die übrigen Kraftstoffstrahlen werden, wenn sie die Brennraumwand noch nicht erreicht haben sollten, von der Flamme des Zündstrahles mit Hilfe der Luft bewegung im Brennraum gezündet. In diesen be kannten Fällen liegt der kürzeste Strahl, das heisst der Zündstrahl, gesehen in Richtung der in den Brennraum einströmenden Luft, vor und über den übrigen Kraftstoffstrahlen, auf welche die durch die Luftströmung verwehte Zündflamme übertragen wird.
Die bislang bekannten Arten der Anwendung des an sich richtigen Grundsatzes allmählichen Durch brennens des Kraftstoffluftgemisches nach der Selbst zündung nur eines kleinen Teiles des eingespritzten Kraftstoffes und nach Verwehung der Zündflamme durch eine heftige Luftströmung auf weitere Kraft stoffstrahlen haben jedoch ihre konstruktiven Nach teile. Die bekannten Brennräume für diesen Verbren nungsprozess sind infolge der Strahlenanordnung in Richtung der Kolbenachse nebeneinander verhältnis- mässig tief und erfordern grössere Kompressionshöhen der Kolben.
Hohe Kolben jedoch erhöhen überflüs sig das Motorgewicht, was sich als besonders un wirtschaftlich bei Motoren mit grossem Hubverhält nis erweist, wenn dieses zwecks Erreichung grösserer Luftgeschwindigkeiten zur Förderung der Gemisch bildung notwendig wird.
Die Erfindung beseitigt diesen grundsätzlichen Mangel bekannter Brennräume und bekannter Kraft stoffstrahl-Anordnungen dadurch, dass durch Auf spritzen des kürzesten Kraftstoffstrahles auf die von der Brennraumwandung und vom Kolbenboden- bzw.
der Brennraumhalsfläche gebildete Kante ein Kraft stoffanteil abgespalten und der dort in den Brenn raum überströmenden Luft zugeführt wird, während der übrige überwiegende Kraftstoffanteil des Strah- les auf die Brennraumwand auf deren heisseste Zone unmittelbar unter ihrer Kante auftrifft und der oder die weiteren Kraftstoffstrahlen ausschliesslich gegen tiefere Stellen mit niedrigeren Wandtemperaturen un ter der Kante der Brennraumwand gerichtet sind.
Hierdurch wird bei Selbstzündung, von einer einge schränkten, nahezu punktförmigen Stelle am Rande der Brennraumöffnung ausgehend ein allmähliches Durchbrennen des Kraftstoffluftgemisches auch in wesentlich flacheren Brennräumen, das heisst bei niedrigeren Kolbengewichten, ermöglicht. Dadurch sinkt auch das Motorgewicht und es lassen sich dann für höhere Drehzahlen und Leistungen günstigere Hubverhältnisse verwenden, ohne dass die zur Erzie lung einer vollkommenen Verbrennung notwendige optimale Luftgeschwindigkeit im Brennraum beein trächtigt würde.
Es wurde versuchsmässig nachgewiesen, dass der kürzeste Kraftstoffstrahl nach Auftreffen auf die Brennraumwand dann am raschesten zur Zündung gelangt, wenn der Kern des Kraftstoffstrahles knapp unter dem Rande der Brennraumwand auf diese auf trifft, was ein Abspalten eines Kraftstoffanteiles ent gegen der einströmenden Luft zur Folge hat.
Was den oder die weiteren Kraftstoffstrahlen (vom Zündstrahl abgesehen) anbelangt, ist ebenfalls experimental nachgewiesen worden, dass sich ein Kraftstoffstrahl, der auf eine heisse Wand aufgespritzt wird, erst nach Zurücklegung einer gewissen Strecke an dieser Wand entzündet. Hierzu muss bemerkt werden, dass sich der Kraftstoff nur so lange der Brenn- raumwand entlanggleitend ausbreitet, als eine Aus- spritzung aus der Düse erfolgt.
Ist diese beendet, hört die Ausbreitung entlang der Brennraumwand sehr bald auf, weil nämlich der Kraftstoffstrahl sich in der verdichteten Luft sehr rasch abbremst. Der Zeitabschnitt, innerhalb dessen es zur Selbstzündung am Kraftstoffstrahl kommt - insbesondere wenn die ser durch einen mit grosser Geschwindigkeit der Brennraumwand entlanggleitenden Luftstrom auf diese aufgespritzt wird, ist demnach von der Gesamt dauer der Ausspritzung sowie von der freien Strahl- länge bis zum Auftreffen auf die Brennraumwand abhängig.
Versuchsmässig lässt sich nachweisen, dass eine rauchfreie Verbrennung des eingespritzten Kraft stoffes im Strahl nur dann zustande kommt, wenn dieser Kraftstoffstrahl eine genügend freie Länge auf weist und nicht aus unmittelbarer Nähe auf die heisse Brennraumwand aufgespritzt wird. Im umgekehrten Falle entsteht schon bei sehr kleinen ausgespritzten Kraftstoffmengen stets Russ in den Auspuffgasen und dies selbst bei verhältnismässig intensivem Kreisen der Luft im Brennraum entlang seiner Wandung.
Die Luft reisst offenbar doch nur zerstäubten oder verdampften Kraftstoff mit sich und niemals den An teil des Strahlkernes, der sich an der Brennraumwand ausbreitet. Dort tritt dann unter Umständen eine übermässige Anreicherung der Luftzone rund um die Stelle, an der der Strahlkern auf die Brennraumwand auftrifft, mit Kraftstoff ein, wenn dieser in der zur Verfügung stehenden Zeit nicht hinreichend ver dampfen kann.
Infolge der hohen Wandtemperatur und der hohen .Sättigung der besagten Luftzone mit Kraftstoff und der unvermeidlichen Luftturbulenz an der Wand tritt an mehreren Stellen des sich aus breitenden Strahlkernes gleichzeitig die Zündung ein, die eine russende und auch klopfende Verbrennung einleitet. Deshalb ist eine längere Zeit andauernde Ausbreitung des Kraftstoffes an der Brennraumwand (Filmbildung) ohne hinreichende Abdampfungsmög- lichkeit der Güte der Verbrennung durchaus abträg lich.
Es ergibt sich daraus die logische Forderung, dass die Luftgeschwindigkeit im Brennraum um so höher gewählt werden muss, je mehr Kraftstoff auf die Brennraumwand gelangt und von dort verdampft werden muss.
Beim erfindungsgemässen Verbrennungsmotor können die vorstehenden Erkenntnisse folgender massen ausgewertet werden: Wird der Rand der Brennraumwandung nur zum Teil überspritzt und gelangt dieser kleine Teil des besser zerstäubten Kraftstoffstrahl-Mantels beim Auf prallen auf eine Fläche höchster Temperatur und ausserdem anderer Neigung, als die Brennraumwand an der Stelle des Auftreffens des Strahlkernes auf weist,
kommt es an der Stelle des Überspritzens des Brennraumrandes unter dem Einfluss der Lufteinströ- mung in den Brennraum zu einer Übersättigung der Luftzone an dieser Stelle mit Brennstoff, was be- kannterweise zur rascheren Selbstzündung führt.
Dieses Einspritzen von Kraftstoff wird auch vorteil haft zur Erreichung eines zuverlässigen Kaltstartes angewendet, weil eben durch übersättigen der Luft zone mit Kraftstoff die Vorbedingung für eine sichere Zündung geschaffen wird. Der übrige Teil des Zünd strahlkraftstoffes fällt schon auf die Wand des eigentlichen Brennraumes und breitet sich dort von der Auftreffstelle im Sinne der Luftströmung in im mer kühlere Brennraumwandzonen aus, womit seine Fähigkeit sowohl zum Verdampfen wie auch zur raschen Zündung abnimmt.
Damit wird erreicht, dass die Selbstzündung vorzugsweise von dem Teil des Zündstrahlmantels ausgeht, der feinst zerstäubt über den Rand der Brennraumwandung gespritzt wird. Dieser kleinere Teil an Kraftstoff aus dem Zünd- strahl wird nach der Zündung von der Luft, die gegen Ende des Verdichtungshubes mit der grössten Ge schwindigkeit aus dem Raum über dem Kolben in den Brennraum überströmt, in diesen als Flamme unter den Brennraumrand mitgerissen, wo er den übrigen Kraftstoff desselben Strahles zum Brennen bringt.
Von diesem Strahl aus geht die Zündung auch auf weitere Kraftstoffstrahlen im Brennraum über, woran die heftige Luftbewegung ihren mass gebenden Anteil hat. Damit sich diese Kraftstoff strahlen nicht vorzeitig selbst entzünden, wird ihnen eine solche Richtung erteilt, dass sie den Brennraum- rand nicht überspritzen und beim Auftreffen auf die Brennraumwand diese an kühleren Stellen berühren. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
In den Fig. 1 und 2 ist die Anordnung der Kraft stoffstrahlen 4 und 4' zur Brennraumwand 1 darge stellt, welche nm Falle der Fig. 1 unmittelbar, das heisst ohne übergangsfläche (Hals) mit der Boden fläche 2 des Kolbens eine scharfe Randkante 3 bil det. Aus der Düse 5 des Einspritzventils werden zwei Kraftstoffstrahlen 4, 4' annähernd in der Strö mungsrichtung der in den Brennraum eintretenden Luft ausgespritzt, deren Achsen strichpunktiert ein gezeichnet sind.
Der Zündstrahl 4, der als erster zur Brennraumwand 1 gelangt, überspritzt mit einem Teil seines Strahlmantels den Brennraumrand respek tive die Kante 3 und hinterlässt dort eine deutliche Spur, gekennzeichnet durch 6, auf dem Kolbenboden. Der Strahlkern in der Achse des Zündstrahles 4 gleitet - solange der Kolben noch im Sinne des Pfei les 7 während der Verdichtung in Bewegung ist als abgeprallter und mit Hilfe der Luftbewegung sich ausbreitender Kraftstoff der Brennraumwand 1 ent lang in Richtung zum Boden des Brennraumes ab.
Es ist also zweckmässig, die Strahlen 4 und 4' aus der Düse 5 nicht in Richtung der Stromlinien der Luftbewegung hintereinander anzuordnen, son dern nebeneinander, dermassen, dass nach dem Auf treffen der Kraftstoffstrahlen auf die Brennraum- wand die sich dort ausbreitenden Kraftstoffzungen einander nicht berühren. Auf diese Weise wird einer übermässigen Kraftstoffkonzentration an einzelnen Stellen der Brennraumwand und ihrem nachteiligen Einfluss auf die Verbrennung des Gesamtgemisches Einhalt geboten.
Wie oben bereits angeführt, ent zündet sich bei Eintritt der aus dem Raum über dem Kolben in den Brennraum hn Kolben in Richtung der Pfeile 8 überströmenden Luft zuerst der Teil 6 des Strahles 4, soweit dieser den Rand 3 der Brenn- raumwand 1 überspritzt, und bringt dann zunächst den Rest des Strahles 4 und weiter auch den Kraft stoff im Nachbarstrahl 4' zum Brennen. Dies bewirkt ein allmähliches Durchbrennen des in verschiedenen Strahllagen in den Brennraum eingespritzten Kraft stoffes.
Die freien Strahllängen der Kraftstoffstrahlen 4, 4' und eventuell weitere sowie der auf den Brennraumboden bezogene Projektionswinkel zwi schen ihnen sind so zu wählen, dass die maximale ausgespritzte Kraftstoffmenge an allen Stellen ange nähert dem stöchiometrischen Mass der angesaugten Luftmenge entspricht. Bei richtiger Anwendung die ses Grundsatzes wird es möglich, mit Unterstützung der den Brennraumabmessungen angepassten Luftbe wegung dem idealen Koeffizienten des notwendigen Luftüberschusses .1= 1 nahezukommen.
Die Fig.2 zeigt uns die gleiche Anordnung der Kraftstoffstrahlen 4 und 4' gegenüber dem Rande 3 der Brennraumwand 1, wobei aber der Brennraum mit einem übergangshals 1' zwischen der Brenn- raumwand 1 und dem Kolben- oder Zylinderkopf boden 2 versehen ist.
Auch im Falle des übersprit- zens des Randes 3 auf die Fläche des Halses 1' abermals nur durch einen Teil 6 des Zündstrahles 4 kommt es infolge der Luftströmung nach den Pfei len 8 und der dargestellten Ausbreitung des aufge spritzten (abgespaltenen) Kraftstoffanteiles auf dem Halse 1' zu der oben beschriebenen überreicherung der Stelle am Rande 3 an der heissesten Brennraum wandzone mit Kraftstoff und deshalb zur raschesten Zündung.
Im gegebenen Falle der Fig. 2 spritzt also der Zündstrahl nicht auf den Kolbenboden, sondern nur zum Teil auf den übergangshals 1', während sein weitaus grösserer Kraftstoffanteil ausschliesslich in den eigentlichen Brennraum gerichtet ist. Bei dieser Lösung nach Fig.2 wird dieselbe Wirkung wie bei der vorhergehenden Konstruktion nach Fig. 1 erreicht.
Für einen sicheren Start des Motors auch bei Frost bietet die beschriebene Strahlanordnung einen weiteren Vorteil dadurch, dass der Strahl 4' oder noch ein weiterer Strahl um ein bestimmtes Zeit intervall nach dem Zündstrahl die Brennraumwand 1 erreichen muss. Der auf den Kolbenboden bezogene Projektionswinkel zwischen den beiden letzten Strah len lässt sich in bezug auf die Drehachse des Brenn- raumes so wählen, dass der Mantel des letzten Strah les in den bei Potential-Wirbelströmung vorhandenen Kern rund um die Brennraumachse eindringt, in dem sie die höchste Verdichtungstemperatur erhält.
Diese allein kann den Start des Motors auch bei Frösten sicherstellen. Beim Start unter Frost ent- zündet sich dann allerdings, zum Unterschied von den normalen Betriebsbedingungen mit höheren Brennraumwandtemperaturen und höheren Luftge schwindigkeiten, der Kraftstoff zuerst im Mantel des Strahles mit der grössten freien Strahllänge, und zwar erst nach Beendigung der Ausspritzung, das heisst mit grossem Zündverzug.
Unter diesen Bedingungen bleibt der Kraftstoffstrahl im freien Raum des Brenn- raumes sozusagen stehen, denn bei den niedrigen Start-Drehzahlen, bei welchen die Luftbewegung im Brennraum noch unwesentlich ist, werden die Kraft stoffstrahlen von dieser Luftbewegung noch nicht beeinflusst.
Mittels der beschriebenen Einrichtung erzielt man ein ähnliches Durchbrennen des Kraftstoff-Luftgemi- sches wie bei Motoren mit Punktzündung, das heisst mit Fremdzündung. Vom Standpunkt des klopffreien Ganges und des rauchlosen Betriebes ist dann der beschriebene Dieselmotor einem Otto-Motor prak tisch gleichwertig, weist nur noch den Vorteil der Verwendungsmöglichkeit verschiedener Kraftstoff arten bei geringsten Kraftstoffverbräuchen auf.