CH621852A5

CH621852A5 -

Info

Publication number: CH621852A5
Application number: CH259277A
Authority: CH
Inventors: Alfred Dr Urlaub; Franz Dipl Ing Chmela
Original assignee: Maschf Augsburg Nuernberg Ag
Priority date: 1976-03-19
Filing date: 1977-03-02
Publication date: 1981-02-27
Also published as: GB1566499A; JPS5930891B2; DE2611624A1; SE7703080L; HU175119B; DD129474A1; IT1076980B; SU978741A3; FR2344717A1; JPS52113412A; FR2344717B1; SE437398B; RO77765A; US4294206A; DE2611624C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbrennungsverfahren für eine fremdgezündete, luftverdichtende Brennkraftmaschine mit direkter Einspritzung des Kraftstoffes zu seinem Hauptteil auf die Wand des im Kolben vorgesehenen, rotationskörperförmigen Brennraumes, wobei der einströmenden Luft eine solche Drehbewegung erteilt wird, dass hierdurch der Kraftstoff in Dampfform von der Brennraumwand allmählich abgelöst und mit der Luft vermischt wird, die Einspritzdüse im Zylinderkopf in der Nähe des Brennraumrandes liegt und die Zündvorrichtung in oberer Totpunktstellung des Kolbens in den Brennraum eintaucht, und eine Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens.

Durch die DT-PS 1 576 020 ist bereits eine solche, nach dem Verfahren der Kraftstoff-Wandauftragung arbeitende Brennkraftmaschine bekannt. Bei ihr ist die Zündvorrichtung der Einspritzdüse diametral gegenüberliegend nahe der Brennraumwand angeordnet und vorzugsweise als einpolige Stabelektrode ausgebildet, die in der oberen Totpunktlage des Kolbens in den Brennraum eintaucht und parallel zur Brennraumwand verläuft, weil diese den anderen Pol bildet. Natürlich ist es auch möglich, zwei parallel zueinander verlaufende Stabelektroden vorzusehen, von denen jede einen Pol bildet.

Der Kraftstoff wird mit einem oder mehreren Strahlen so an die Brennraumwand gespritzt, dass er sich infolge seiner kinetischen Energie und der Wirkung der drehenden Luftströmung zu einem dünnen Film ausbreitet, der, in Drehrichtung der Luft gesehen, vor der Elektrode oder den Elektroden liegt und im Bereich desselben oder kurz hinter ihnen endet. Durch die Drehbewegung der Luft wird der Kraftstoff in Dampfform von der Brennraumwand abgelöst und mit der Luft zu einem brennbaren Gemisch aufbereitet, von dem ein Teil zwischen die Elektroden gelangt und gezündet wird. Da es praktisch nicht möglich ist, in allen Lastbereichen des Motors an einer genau festgelegten Funkenstrecke immer ein gut zündfähiges Gemisch zu erreichen, ragt die Elektrode bzw. ragen die Elektroden relativ weit in den Brennraum hinein, damit der überspringende Funke sich die Stelle aussuchen kann, wo die günstigste Gemischzusammensetzung herrscht und damit die Ionisationsspannung ihren kleinsten Wert hat.

Ferner wird nach der genannten PS, um mit Sicherheit ein zündfähiges Gemisch an den Elektroden zu erhalten, noch vorgeschlagen, im Bereich derselben in der Brennraumwand eine Staukante vorzusehen, durch die eine gewisse Kraftstoffan-sammlung erreicht wird.

Eine solche Brennkraftmaschine, bei der der von der Brennraumwand abgelöste und zu einem zündfähigen Gemisch aufbereitete Kraftstoff unmittelbat gezündet wird, bringt gegenüber den bis dahin bekannten Ausführungen den Vorteil, dass in allen Betriebsbereichen eine sichere Zündung erfolgt und dass der Zündzeitpunkt den zum Erreichen guter Motorbetriebsdaten erforderlichen Werten entsprechend eingestellt werden kann.

Inzwischen hat sich jedoch gezeigt, dass auch dieser Motor verbesserungsbedürftig ist. So müssen beispielsweise die Elek

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troden, um bei den für einen guten Verbrennungsablauf erforderlichen Kraftstoffstrahllagen den Kraftstoffilm zu erreichen, mit einer Länge von etwa 50% des grössten Kolbenbrennraumdurchmessers, also verhältnismässig tief in den Brennraum hineinragen, wodurch sie schnell abbrennen und damit ihre Funk- 5 tion nicht mehr erfüllen. Ferner ist bei Kraftstoffstrahllagen, die sich für das Schadstoffemissionsverhalten als optimal erwiesen haben und bei denen die Filmbildung mehr im unteren Bereich der Kolbenbrennraumwand erfolgt, ohne eine - für ihre Standfestigkeit sehr nachteilige—noch weitere Verlängerung der 10 Elektroden eine bei allen Betriebszuständen sichere Gemischentflammung nicht mehr gewährleistet.

Es kommt noch hinzu, dass bei zweipoligen Zündkerzen eine einwandfreie Zündung nur möglich ist, wenn sich die beiden Elektroden in einer radialen oder nahezu radialen 15

Brennraumrichtung einander gegenüberstehen, wodurch eine genaue, Kosten verursachende Kerzenfixierung erforderlich wird. Schliesslich hat sich gezeigt, dass bei wassergekühlten Motoren auch in konstruktiver Hinsicht vielfach Schwierigkeiten entstehen, wenn die Zündvorrichtung gegenüber der Ein- 20 spritzvorrichtung angeordnet wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die aufgezeigten Nachteile zu beseitigen und für eine Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Art mit Wandanlagerung des Kraftstoffes sowohl ein neues Verbrennungsverfahren als auch die zur 25 Durchführung des Verfahrens erforderliche Einrichtung zu schaffen, durch das bzw. durch die ohne grossen Verschleiss der Zündeinrichtung und ohne erheblichen konstruktiven Aufwand in allen Betriebsbereichen eine sichere Zündung und optimale Verbrennung des aufbereiteten Gemisches und damit bestmö- 30 gliche Motordaten erreichbar sind. Es soll also eine verbesserte Ausführung des bekannten Verfahrens erreicht werden.

Nach der Erfindung wird die Aufgabe verfahrensmässig dadurch gelöst, dass der Kraftstoff mit einem Strahl, von dem sich nach dem Austreten aus der Einspritzdüsenöffnung ein- 35 zelne kleine Kraftstoffteilchen lösen und unmittelbar mit der Luft vermischen, auf die Brennraumwand gespritzt wird, dass die aus den abgelösten und von den Fliehkräften noch nicht wieder bis auf die Wand transportierten Kraftstoffteilchen entstehende Menge brennbaren Gemisches gegen Ende des Ein- 40 spritzvorganges nahe der Einspritzdüsenöffnung durch die Zündvorrichtung gezündet wird, die so eingeleitete Verbrennung sich in Richtung der drehenden Luft bis zu dem auf der Kolbenbrennraumwand befindlichen Kraftstoffilm fortpflanzt und dass sodann die Hauptverbrennung entsprechend der fort- 45 schreitenden Vermischung der im Wandbereich gebildeten Kraftstoffdämpfe mit der im Brennraum kreisenden Luft abläuft.

Die Einrichtung zum Durchführen dieses Verbrennungsverfahrens besteht darin, dass die Zündvorrichtung derart im 50 Bereich der Einspritzdüse angeordnet ist, dass sie in der oberen Totpunktstellung des Kolbens nahe der Einspritzdüsenöffnung zwischen dem freien, den Brennraum durchdringenden Kraftstoffstrahl und der Brennraumwand in den Brennraum eintaucht. 55

Durch die genannten Massnahmen wird die gestellte Aufgabe bereits voll gelöst. Die Anordnung der Zündvorrichtung im Bereich der Einspritzdüse erleichtert die konstruktive Ausbildung des Zylinderkopfes erheblich, denn dadurch verbleibt 60 der übrige, in den Zylinder führende Raum für die Unterbringung der Ventile. Da schon nach einem sehr kurzen Strahlweg für die Einleitung der Verbrennung ausreichende Kraftstoffmengen vom Strahlrand abgelöst werden, die sich also auch bei Aufspritzung des Kraftstoffes auf den unteren Teil der Brenn- 65 raumwand im Bereich der Brennraumöffnung befinden, können die Elektroden verhältnismässig kurz ausgebildet sein. Da sie ausserdem auch nicht in dem unmittelbaren Bereich der Hauptverbrennung liegen, ist ihre Wärmebeaufschlagung damit wesentlich geringer, was dem Abbrandverhalten sehr zugute kommt. Die Anordnung der Zündvorrichtung zwischen dem Kraftstoffstrahl und der Brennraumwand ist sehr begründet, denn die sich ablösenden Kraftstoffteilchen werden so durch die rotierende Luftströmung an die Funkenstrecke der Zündkerze herangeführt. Da durch unmittelbare Vermischung des Kraftstoffes mit der Luft bekanntlich sehr schnell ein brennbares Gemisch entsteht, wird demnach die Zündvorrichtung nahezu während der gesamten Einspritzdauer mit einem zündfähigen Gemisch versorgt. Dadurch kann die in jedem Motorbetriebspunkt gesicherte und gegen Ende der Kraftstoffeinspritzung vollzogene Einleitung der Verbrennung zeitpunktmässig so gewählt werden, dass sich in entsprechender Anpassung an die Zeitdauer für die Voraufbereitung des Kraftstofffilms ein hinsichtlich der verschiedenen Motorbetriebsdaten jeweils optimaler Verbrennungsablauf ergibt.

Als Zündvorrichtung können zwei parallel zueinander verlaufende Stabelektroden vorgesehen sein. Allerdings ist es auch möglich, die den einen Pol der Zündvorrichtung bildende Elektrode aus mehreren Teilstäben herzustellen, welche um die den anderen Pol bildende, einteilige Elektrode herum angeordnet sind.

Ferner ist zu empfehlen, den Abstand der Zylinderkopfbo-den-Durchstosspunkte von Zündkerzen- und Einspritzdüsenachse etwa 25 bis 30% des grössten Brennraumdurchmessers zu wählen und den Auftreffpunkt des Kraftstoffstrahles auf die Brennraumwand in der oberen Totpunktstellung des Kolbens, wie an sich bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen bereits bekannt, in die untere Hälfte des Brennraumes zu verlegen, was durch die neue Anordnung bzw. das neue Verbrennungsverfahren jederzeit möglich ist.

Schliesslich ist es zweckmässig, den Brennraum aussermittig im Kolbenboden anzuordnen, um die Ausbildung des Zylinderkopfes noch weiter zu vereinfachen.

Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Die Erfindung ist nachfolgend an einem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den oberen Teil eines in einem Zylinder angeordneten Kolbens und die erfindungsmäs-sige Einrichtung.

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Kolben nach einem Schnitt II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Ausschnitt aus Fig. 2, jedoch mit einer anderen Ausbildung der Zündvorrichtung.

In Fig. 1 ist ein nur zum Teil dargestellter Zylinder 1 an seinem oberen Ende mittels einer Dichtung 2 und eines ebenfalls nur angedeuteten Zylinderkopfes 3 dicht abgeschlossen. Im Zylinder 1 ist ein Kolben 4 verschiebbar gelagert, der in seinem Boden 5 einen unten etwas abgeflachten, ansonsten kugelförmigen, im Beispiel zur Zylindermitte 17 versetzt angeordneten Brennraum 6 aufweist. Über einen eingeschnürten Hals 7 und eine Schnaupe 8 für die Einspritzung des Kraftstoffes ist der Brennraum 6 mit dem Zylinderinnenraum 9 verbunden.

Schräg im Zylinderkopf 3 ist eine Einspritzdüse 10 derart angeordnet, dass ihre Einspritzdüsenöffnung 11 etwa in der Ebene der Unterkante des Zylinderkopfes 3 und am Rande des Brennraumes 6 liegt. Durch die Einspritzdüsenöffnung 11 wird der Kraftstoff mit einem Strahl 12 so eingespritzt, dass dieser, wenn der Kolben 4 seine obere Totpunktstellung erreicht, auf die untere Hälfte der Brennraumwand 13, vorzugsweise in einem Abstand b von 10 bis 15 % des grössten Brennraumdurchmessers D unterhalb desselben auftritt und sich dort zu einem dünnen Film ausbreitet. Der Punkt, an dem der Kraftstoffstrahl 12 auf die Brennraumwand 13 auftritt, wird mit Strahlauftreffpunkt 16 bezeichnet.

Im Bereich der Einspritzdüsenöffnung 11 sind im Zylinderkopf 3 zwei voneinander isoliert angeordnete Elektroden 14,15 befestigt, welche parallel zueinander verlaufen und mit einer Länge von c = 25 bis 30% des grössten Brennraumdurchmessers D senkrecht in den Brennraum 6 hineinragen, wenn der Kolben 4 seine obere Totpunktstellung erreicht hat.

Aus Fig. 2 ist vor allem die Lage des Kraftstoffstrahles 12 in der zur Fig. 1 senkrechten Ebene zu erkennen. Zwischen dem Kraftstoffstrahl 12 und der Wand des Brennraumhalses 7 tauchen die Elektroden 14,15 in den Brennraum 6 ein. Der Abstand a der Achse der Mittelelektrode 14 von dem Zylinder-kopfboden-Durchstosspunkt der Einspritzdüsenachse beträgt etwa 25 bis 30% des grössten Brennraumdurchmessers D. In der in Fig. 2 dargestellten, senkrecht zur Brennraumlängsachse x liegenden Ebene beträgt der Winkel a zwischen dem von der

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Einspritzdüsenöffnung 11 ausgehenden Kraftstoffstrahl 12 und der Verbindungsgeraden von der Einspritzdüsenöffnung 11 zum Mittelpunkt der Elektrode 14 etwa 20 bis 30° und der Zentriwinkel ß zwischen der Einspritzdüsenöffnung 11 und dem

5 Strahlauftreffpunkt 16 etwa 150°.

Der in Fig. 3 dargestellte Ausschnitt zeigt bei gleicher Anordnung wie in Fig. 2 lediglich eine andere Ausbildung der Elektroden 14,15. Während die Mittelelektrode 14 unverän-io dert blieb, besteht hier die Masseelektrode 15 aus drei um die Mittelelektrode 14 angeordneten Einzelelektroden 15a, 15b, 15 c, wodurch die Zündsicherheit erhöht wird und die Zündkerze mit dem üblichen Einschraubgewinde befestigt werden kann, da die Notwendigkeit zur Einhaltung einer definierten 15 Winkellage entfällt.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Verbrennungsverfahren für eine fremdgezündete, luftverdichtende Brennkraftmaschine mit direkter Einspritzung des Kraftstoffes zu seinem Hauptteil auf die Wand des im Kolben vorgesehenen, rotationskörperförmigen Brennraumes, wobei 5 der einströmenden Luft eine solche Drehbewegung erteilt wird, dass hierdurch der Kraftstoff in Dampfform von der Brennraumwand allmählich abgelöst und mit der Luft vermischt wird, die Einspritzdüse im Zylinderkopf in der Nähe des Brennraumrandes liegt und die Zündvorrichtung in oberer Totpunktstel- 10 lung des Kolbens in den Brennraum eintaucht, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff mit einem Strahl, von dem sich nach dem Austreten aus der Einspritzdüsenöffnung einzelne kleine Kraftstoffteilchen lösen und unmittelbar mit der Luft vermischen, auf die Brennraumwand gespritzt wird, dass die aus 15 den abgelösten und von den Fliehkräften noch nicht wieder bis auf die Wand transportierten Kraftstoffteilchen entstehende geringe Menge brennbaren Gemisches gegen Ende des Einspritzvorganges nahe der Einspritzdüsenöffnung durch die Zündvorrichtung gezündet wird, die so eingeleitete Verbren- 20 nung sich in Richtung der drehenden Luft bis zu dem auf der Kolbenbrennraumwand befindlichen Kraftstoffilm fortpflanzt und dass sodann die Hauptverbrennung ensprechend der fortschreitenden Vermischung der im Wandbereich gebildeten Kraftstoffdämpfe mit der im Brennraum kreisenden Luft ab- 2s läuft.

2. Einrichtung zum Durchführen des Verbrennungsverfah-rens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündvorrichtung (14,15) derart im Bereich der Einspritzdüse (10) angeordnet ist, dass sie in der oberen Totpunktstellung des 30 Kolbens (4) nahe der Einspritzdüsenöffnung (11) zwischen dem freien, den Brennraum (6) durchdringenden Kraftstoffstrahl (12) und der Brennraumwand (7,13) in den Brennraum (7) eintaucht.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, 35 dass die Zündvorrichtung aus zwei parallel zueinander verlaufenden Stabelektroden (14,15) besteht.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die den einen Pol der Zündvorrichtung bildende Stabelektrode (15) aus mehreren, um die den anderen 40 Pol bildende Stabelektrode (14) angeordneten Teilelektroden (15a, 15b, 15c) besteht.

5. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der in oberer Totpunktstellung des Kolbens (4) in den Brennraum (6) hineinragenden Zünd- 45 Vorrichtung (14,15) 25 bis 30% des grössten Brennraumdurchmessers (D) beträgt.

6. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a) zwischen dem Zylinder-kopf-Durchstosspunkt der Achse der Mittelelektrode (14) der 50 Zündvorrichtung und der Achse der Einspritzdüse (10) 25 bis 30% des grössten Brennraumdurchmessers (D) beträgt.

7. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Auftreffpunkt (16) des Kraftstoff-strahles (12) auf die Brennraumwand (13) in der unteren Hälfte 55 des Brennraumes (6) liegt.

8. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennraum (6) als ein einen abgeflachten Boden und einen eingeschnürten Hals (7) aufweisender Kugelbrennraum ausgebildet ist. 60

9. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Auftreffpunkt (16) des Kraftstoff-strahles (12) auf die Brennraumwand (13) in einem Abstand (b) von 10 bis 15% des grössten Brennraumdurchmessers (D) unterhalb desselben liegt, und dass in einer senkrecht zur 65 Brennraumlängsachse (x) liegenden Ebene gesehen der Zentriwinkel (ß) zwischen der Einsprützdüsenöffnung (11) und dem Strahlauftreffpunkt (16) 145 bis 160° beträgt.

10. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einer senkrecht zur Brennraumlängsachse (x) liegenden Ebene gesehen der von der Einspritzdüsen-Öffnung (11) ausgehende Kraftstoffstrahl (12) und die Verbindungsgerade (a) von der Einspritzdüsenöffnung (11) zur Achse der Mittelelektrode (14) in einem Winkel (a) von 20 bis 30° zueinander verlaufen.

11. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennraum (6) aussermittig im Kolbenboden (5) angeordnet ist.