Kolben in einem Verbrennungsmotor mit direkter Kraftstoffeinspritzung Gegenstand der Erfindung ist ein Kolben in einem Verbrennungsmotor mit direkter Kraftstoffeinspritzung aus einer aussermittig angeordneten Düse mit min destens zwei Kraftstoffstrahlen von verschiedener freier Strahllänge und Neigung zur Düsenachse in einem im Kolbenboden versenkten Brennraum von zum Teil mindestens angenähert ellipsoid- oder torroidförmiger
Gestalt, der im oberen Totpunkt des Kolbens angenähert die gesamte angesaugte Luft menge aufnimmt, wobei Mittel vorhanden sind, um die Luft in der Brennkammer in eine um die Brenn raumaxe kreisende Bewegung zu versetzen.
Bei be kannten Motoren solcher Art wird der Kraftstoff aus einer aussermittig am Rande des Brennraumes an geordneten Düse in diesen eingespritzt. Die aus einer Mehrlochdüse austretenden Kraftstoffstrahlen werden vorteilhafterweise so angeordnet, dass sie nach ver schieden langen freien Strecken in entsprechenden Zeitintervallen auf die Brennraumwand auftreffen, und zwar derart, dass ein Kraftstoffstrahl, dem die Funktion eines Zündstrahles beigemessen wird,
auf die heisseste Stelle der Brennraumwand auftrifft.
Nach dem Stande der Technik ist anderseits be kannt, dass man zum Zwecke klopffreier und rauch loser Verbrennung die Brennraumwand nur mit einer beschränkten, Kraftstoffmenge bespritzt, insofern nicht die Gewähr dafür gegeben ist, dass die Umgebung der Auftreffstelle des Kraftstoffstrahles auf der Brenn- raumwand eine höhere Temperatur besitzt als die Auftreffste'lle selbst.
Anders ausgedrückt wird die Forderung nach einem Bespritzen der Brennraum- wand nur an Stellen niederer Temperatur erhoben, wobei allerdings diese Temperatur nicht zu weit über oder unter jener Grenze liegen darf, die der ver wendete Kraftstoff bedingt.
Die Temperatur der Brennraumwand ist in der Hauptsache von der Geschwindigkeit und der Tem- peratur der Verbrennungsgase beeinflusst. Die Tem peratur dieser Gase richtet sich nach der Güte der Verbrennung, deren Wirkungsgrad so hoch wie mög lich sein soll. Daraus ergibt sich für den Konstrukteur die Aufgabe, die Temperatur der Brennraumwand zweckmässig zu steuern,
und zwar mit Hilfe der Ge schwindigkeit der angesaugten Verbrennungsluft, die im Verdichtungshub ungefähr die gleichen Wege, aber in umgekehrter Richtung nimmt wie die Gase im Arbeitshub. Die angesaugte Verbrennungsluft kühlt demnach je nach Richtung und Intensität ihrer Strö mung die Oberfläche des Kolbens sowohl seinen Kopfboden als auch die Brennraumwand. Soll die wirkungsvollste Kühlung der Kolbenfläche bzw. Brennraumwand erreicht werden, muss man die Luft ihr entlang gleiten lassen.
Daraus ergibt sich der Schluss, dass die beste Kühlwirkung bei einem Brenn- raum von der Form eines Rotationskörpers durch eine kreisende Bewegung der Luft um seine Rota tionsachse erzielt wird. Die Mittel hierzu sind bekannt, wie z.
B. Schirme auf den Saugventilen oder hinsicht lich Ansaugwirkungsgrad noch vorteilhaftere tangen- tiale und geradlinige Ausmündungen der Saugkanäle in die Zylinder. Diese Mittel reichen aus, um die Ansaugluft in mathematisch berechenbaren Spiralen in die Brennräume einströmen zu lassen.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Brennraumöffnung von zwei gegenseitig, zur Brennraumaxe :symmetrisch versetzten, mindestens angenähert halbkreisförmigen Linienzügen begrenzt ist und dass die Seitenwand des dem Zylinderraum benachbarten Teiles des Brennraumes durch gerade Erzeugende gebildet ist, die entlang den Linienzügen einen sich mit der Entfernung von der Brennraumaxe stetig ändernden Winkel (a)
mit einer rechtwinklig zur Brennraumaxe verlaufenden Ebene einschliessen, welcher Winkel im von dar Brennraumaxe entfern- testen Punkte grösser als 90 und im nächstliegenden Punkte kleiner als 90 ist.
Die Erfindung verfolgt damit gleichzeitig zwei Zwecke: a) dass ein Teil der Ansaugluft, solange die Ge schwindigkeit in ihr noch beträchtlich ist, die Seiten wand des Brennraumes hauptsächlich dort gut kühlt, wo auf sie vorzugsweise der Zündstrahl auftrifft, und b) dass sich ein, weiterer Teil der Ansaugluft all mählich von der Brennraumwand dort ablöst, wo diese weniger gekühlt sein sohl.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
Fig. 1 ist ein Schnitt durch den Verbrennungs raum im Kolben.
Fig. 2 ist eine Draufsicht auf die Brennkammer nach der Linie<B>A -A</B> in Fig. 2.
Fig. 3 ist eine Draufsicht auf den vom Zylinder umgebenen Kolben, bei abgehobenem Zylinderkopf. Fig. 4 ist ein Querschnitt durch den Kolben. Fig. 5 ist eine Draufsicht auf den Kolben.
Der dargestellte Kolben ist für einen Verbren nungsmotor mit direkter Kraftstoffeinspritzung be stimmt, wobei die im Kolbenboden vorgesehene Brennkammer im oberen Totpunkt des Kolbens an genähert die gesamte angesaugte Luftmenge auf nimmt. Ferner sind Mittel vorgesehen, um die Luft in der Brennkammer in eine um die Brennraumaxe kreisende Bewegung zu versetzen.
Die Wandung 1 der Brennkammer mündet ohne Hals direkt in den Zylinderraum oberhalb des Kolben bodens 2. Die Wand 1 des Brennraumes bildet mit dem Kolbenboden 2 am Rande der Verbindungs öffnung die Kanten 3 und 3'. Die Verbindungsöffnung des Brennraumes, der im unteren Teil des Beispiels eine torroidähnliche Form aufweist (mit gestrichelten Linien ist eine weitere mögliche Ellipsoidform an gedeutet), ist in zwei gleiche Hälften geteilt, die gegenseitig zur Brennraumaxe 5, welche vorzugs weise zugleich Zylinderaxe ist,
symmetrisch um die Exzentrizität e.12 versetzt sind. Der grösste Durch messer des im Querschnitt kreisförmigen unteren Teils des Brennraumes ist mit Dr;
bezeichnet. Über einer der beiden Ausnehmungen, die durch die Ver setzung der Öffnungshälften zwischen den Punkten 3 und 3' ihres Randes geschaffen werden, mündet im Zylinderkopf das Einspritzventil 6 ein, das in einer beliebig, aber zur Brennraumachse 5 zweckmässig geneigten Lage eingebaut ist.
Vorzugsweise kann die Achse des Einspritzventils 6 in der Ebene liegen, die von der Brennraumachse 5 und der Achse 7 der Versetzung der beiden Öffnungshälften gebildet wird. Die Kraftstoffstrahlen I und II, die verschiedene freie Strahllängen und verschiedene Neigungen zur Achse des Einspritzventils 6 aufweisen, treffen mit ihren Strahlkernen auf die Brennraumwand 1 knapp unter ihrem Rande auf.
Der obere Teil der Brennraumwand 1 ist durch gerade Erzeugende gebildet. Diese ändern entlang der beiden halbkreisförmigen Hälften stetig ihre Neigung, wobei an den Enden der Hälften, das heisst am entferntesten Punkt 3' von der Brennraum achse bzw. am nächstliegenden Punkt 3 spitze und stumpfe Winkel (a) bzw.
(ä) zwischen den Erzeu genden und einer Ebene senkrecht zur Brennraum- achse bilden. Beide Öffnungshälften sind mindestens angenähert halbkreisförmig begrenzt und gehen an den äusseren Enden 3 und 3' in viertelkreisförmige Ausnehmungen über. Ein solcher Verbrennungsraum lässt sich maschinell nicht bearbeiten; die Giesserei technik ist jedoch so weit fortgeschritten, dass sie ein sauberes und genaues Abgiessen des Brennraumes in einer Kokille ermöglicht.
Für diesen Kokillenguss eignet sich die Brennraumform recht gut, wenn sie auch bei den Abmessungen nach Fig. 1 und 2 zwei Kerne benötigt.
Die Erzeugung eines solchen Kolbens wird also billiger als die eines Kolbens mit einem in bisher üblicher Weise bearbeiteten Brennraum. Eine glatte Bearbeitung auf einer Zerspanungsmaschine ist deshalb überflüssig, weil die kleinen Unebenheiten einer in Kokille abgegossenen Brennraumwand dem Abdampfen und Abprallen und damit der Zerstäu- bung und Durchmischung des aufgespritzten Kraft stoffes mit der strömenden Luft zugute kommen.
Wie die Luft aus dem Raum über dem Kolben in den Brennraum überströmt, zeigt in Fig. 3 die Lage von Stromfäden B. Die Stromfäden 8 der im Zylinder raum über dem Kolben kreisenden Luft passen sich auf der Seite des Punktes 3' dem Rande der Brenn- kammer von der Form eines Halbkreises an, während sie auf der Seite des Punktes 3 bereits einen sicht lichen Einfluss der radialen Komponente der Luft einströmung in den Brennraum aufweisen. Dort gleitet schon nicht mehr die Luft der Wandung 1 entlang in den Brennraum, sondern löst sich bereits von ihr ab.
Die Temperaturen in der Brennraumwand haben demnach im Strömungssinne vom Punkte 3' bis zum Punkte 3 eine ständig anwachsende Tendenz.
Zur Regelung der Temperatur in der Wandung 1 des Brennraumes dort, wo die beiden Kraftstoff strahlen 1 und II aus dem Einspritzventil 6 auf treffen, ist zwischen den beiden Augen 9 des Kolben bolzens auf der Unterseite des Kolbenbodens eine Reihe von radialen Rippen 10 angeordnet, wie dies in den Fig. 4 und 5 angedeutet ist. Zwischen diese Rippen 10 wird nun auf bekannte Weise von unten her, vorteilhaft in Form eines fächerförmigen Strahles, Öl eingespritzt, wie dies in Fig. 4 durch drei einzelne Strahlfäden 11 gezeigt ist.
Durch die Vergrösserung der Kühloberfläche mit Hilfe tiefer Rippen wird der Kühlwirkungsgrad durch Anspritzen von Öl derart verbessert, dass die Kühl ölmenge im Kühlölkreislauf und damit auch im be schränkten Umfang die Reibungsverluste des Motors herabgesetzt werden können.
Falls auch auf der Gegenseite solche Rippen vor handen sind, muss beim Kolbeneinbau in den Motor nicht mehr darauf geachtet werden, dass sich die Rippen auf der Seite des Ölstrahles befinden.
Die Ebene, die die Brennraumaxe 5 und die Axe 7 enthält, schliesst mit der die Brennraumaxe 5 und die Kolbenbolzenachse enthaltenen Ebene entgegen der Lufteinströmung einen Winkel kleiner als 90 ein.
Piston in an internal combustion engine with direct fuel injection The object of the invention is a piston in an internal combustion engine with direct fuel injection from an eccentrically arranged nozzle with at least two fuel jets of different free jet lengths and inclinations to the nozzle axis in a combustion chamber sunk in the piston crown of at least approximately ellipsoidal or more toroidal
Shape that takes up approximately the entire amount of air drawn in at the top dead center of the piston, with means being provided to set the air in the combustion chamber in a circular motion around the combustion axis.
In known engines of this type, the fuel is injected into this from an eccentrically arranged nozzle on the edge of the combustion chamber. The fuel jets emerging from a multi-hole nozzle are advantageously arranged in such a way that they hit the combustion chamber wall at corresponding time intervals after various long free stretches, in such a way that a fuel jet, to which the function of a pilot jet is assigned,
hits the hottest point on the combustion chamber wall.
According to the prior art, on the other hand, it is known that for the purpose of knock-free and smokeless combustion, the combustion chamber wall is only sprayed with a limited amount of fuel, unless there is a guarantee that the area around the point of impact of the fuel jet on the combustion chamber wall is a has a higher temperature than the point of impact itself.
In other words, the requirement for the combustion chamber wall to be sprayed is only made at low temperature locations, although this temperature must not be too far above or below the limit imposed by the fuel used.
The temperature of the combustion chamber wall is mainly influenced by the speed and temperature of the combustion gases. The tem perature of these gases depends on the quality of the combustion, the efficiency of which should be as high as possible, please include. This results in the task of the designer to appropriately control the temperature of the combustion chamber wall,
namely with the help of the Ge speed of the intake combustion air, which takes approximately the same path in the compression stroke, but in the opposite direction as the gases in the working stroke. The intake combustion air therefore cools the surface of the piston, both its head base and the combustion chamber wall, depending on the direction and intensity of its flow. If the most effective cooling of the piston surface or combustion chamber wall is to be achieved, the air must be allowed to slide along it.
This leads to the conclusion that the best cooling effect in a combustion chamber with the shape of a rotating body is achieved by a circular movement of the air around its axis of rotation. The means for this are known, such.
B. umbrellas on the suction valves or, with regard to the suction efficiency, even more advantageous tangential and rectilinear openings of the suction channels into the cylinders. These resources are sufficient to allow the intake air to flow into the combustion chambers in mathematically calculable spirals.
The invention is characterized in that the combustion chamber opening is delimited by two mutually offset, at least approximately semicircular lines that are symmetrically offset to the axis of the combustion chamber, and that the side wall of the part of the combustion chamber adjacent to the cylinder chamber is formed by straight generatrices that merge with the line along the lines Distance from the combustion chamber axis constantly changing angle (a)
with a plane running at right angles to the combustion chamber axis, which angle is greater than 90 in the point furthest from the combustion chamber axis and less than 90 in the closest point.
The invention thus pursues two purposes at the same time: a) that part of the intake air, as long as the speed in it is still considerable, cools the side wall of the combustion chamber well mainly where it is preferably hit by the pilot jet, and b) that a , further part of the intake air gradually separates from the combustion chamber wall where it is less cooled.
An exemplary embodiment of the subject matter of the invention is shown in the drawing.
Fig. 1 is a section through the combustion chamber in the piston.
FIG. 2 is a plan view of the combustion chamber along the line A-A in FIG. 2.
3 is a top plan view of the piston surrounded by the cylinder with the cylinder head raised. Figure 4 is a cross section through the piston. Fig. 5 is a top plan view of the piston.
The piston shown is for an internal combustion engine with direct fuel injection be true, with the combustion chamber provided in the piston crown at the top dead center of the piston to approximate the total amount of air drawn in. Means are also provided to set the air in the combustion chamber in a circular motion around the axis of the combustion chamber.
The wall 1 of the combustion chamber opens without a neck directly into the cylinder space above the piston bottom 2. The wall 1 of the combustion space forms with the piston head 2 at the edge of the connection opening the edges 3 and 3 '. The connecting opening of the combustion chamber, which in the lower part of the example has a toroidal shape (another possible ellipsoidal shape is indicated with dashed lines), is divided into two equal halves, mutually facing the combustion chamber axis 5, which is preferably also the cylinder axis,
are symmetrically offset by the eccentricity e.12. The largest diameter of the lower part of the combustion chamber, which is circular in cross section, is indicated by Dr;
designated. Over one of the two recesses, which are created by the displacement of the opening halves between points 3 and 3 'of their edge, the injection valve 6 opens into the cylinder head, which is installed in an arbitrary, but conveniently inclined position to the combustion chamber axis 5.
The axis of the injection valve 6 can preferably lie in the plane which is formed by the combustion chamber axis 5 and the axis 7 of the offset of the two opening halves. The fuel jets I and II, which have different free jet lengths and different inclinations to the axis of the injection valve 6, strike the combustion chamber wall 1 with their jet cores just below its edge.
The upper part of the combustion chamber wall 1 is formed by straight generatrices. These change their inclination along the two semicircular halves, whereby at the ends of the halves, i.e. at the most distant point 3 'from the combustion chamber axis and at the closest point 3, acute and obtuse angles (a) or
(ä) between the generators and a plane perpendicular to the combustion chamber axis. Both halves of the opening are at least approximately semicircular and merge into quarter-circle recesses at the outer ends 3 and 3 '. Such a combustion chamber cannot be machined; However, foundry technology is so advanced that it enables the combustion chamber to be poured cleanly and precisely in a mold.
The shape of the combustion chamber is very suitable for this permanent mold casting if it also requires two cores for the dimensions according to FIGS. 1 and 2.
The production of such a piston is therefore cheaper than that of a piston with a combustion chamber that has been processed in the usual manner. Smooth machining on a cutting machine is unnecessary because the small bumps in a combustion chamber wall cast in a mold benefit the evaporation and ricochet and thus the atomization and mixing of the sprayed fuel with the flowing air.
How the air flows over from the space above the piston into the combustion chamber, shows in Fig. 3 the position of flow threads B. The flow threads 8 of the air circulating in the cylinder space above the piston fit on the side of point 3 'the edge of the combustion - Chamber in the shape of a semicircle, while on the side of point 3 they already have a visible influence of the radial component of the air inflow into the combustion chamber. There the air no longer slides along the wall 1 into the combustion chamber, but is already detached from it.
The temperatures in the combustion chamber wall accordingly have a constantly increasing tendency in the flow sense from point 3 'to point 3.
To regulate the temperature in the wall 1 of the combustion chamber where the two fuel jets 1 and II from the injection valve 6 hit, a number of radial ribs 10 is arranged between the two eyes 9 of the piston pin on the underside of the piston crown, as this is indicated in FIGS. 4 and 5. Between these ribs 10, oil is now injected in a known manner from below, advantageously in the form of a fan-shaped jet, as is shown in FIG. 4 by three individual jet threads 11.
By increasing the cooling surface with the help of deep ribs, the cooling efficiency is improved by spraying oil in such a way that the amount of cooling oil in the cooling oil circuit and thus the frictional losses of the engine can be reduced to a limited extent.
If such ribs are also present on the opposite side, it is no longer necessary to ensure that the ribs are on the side of the oil jet when installing the piston in the engine.
The plane containing the combustion chamber axis 5 and the axis 7 encloses an angle of less than 90 with the plane containing the combustion chamber axis 5 and the piston pin axis against the air inflow.