CH657666A5

CH657666A5 - Luftverdichtende, direkteinspritzende brennkraftmaschine.

Info

Publication number: CH657666A5
Application number: CH3266/82A
Authority: CH
Inventors: Friedrich Bauer; Kurt Leonhard
Original assignee: Maschf Augsburg Nuernberg Ag
Priority date: 1981-05-29
Filing date: 1982-05-27
Publication date: 1986-09-15
Also published as: TR21317A; SE450962B; DE3121344C2; SE8203341L; IT1152204B; FR2506836B1; JPS57200616A; US4501239A; IT8221541A0; AT396508B; GB2118244A; KR880001587B1; SU1123550A3; KR830010279A; FR2506836A1; JPS6328209B2; GB2118244B; DD207399A1; ATA63282A; DE3121344A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine luftverdichtende , direkteinspritzende Brennkraftmaschine, welche im Kolben einen rotationskörperförmigen Brennraum mit eingeschnürter Überströmöffnung aufweist und bei der der einströmenden Verbrennungsluft eine Drehbewegung um die Bennraum-längsachse erteilt wird und der Kraftstoff über eine aussermittig in der Nähe des Brennraumöffnungsrandes im Zylinderkopf angeordnete Einspritzdüse mit nur einem Strahl derart in Richtung der rotierenden Verbrennungsluft in den Brennraum eingespritzt wird, dass an der Brennraumwand die Bildung eines Kraftstoffilms erfolgt, wobei der Auftreffpunkt des Kraftstoffstrahles auf die Brennraumwand durch entsprechende Wahl des Düsenwinkels und der Düsenlage im untersten Viertel des Brennraumes liegt.

Eine derartige Brennkraftmaschine ist aus der DE-PS 20 38 048 bekannt.

Bei Brennkraftmaschinen, bei denen die Gemischbildung überwiegend durch Kraftstoffwandauftragung erfolgt, kommt der Luftbewegung im Brennraum eine doppelte Bedeutung zu; sie muss erstens eine genügend schnelle und wirksame Ablösung des durch die warme Brennraumwand aufbereiteten Kraftstoffes bewirken und zweitens eine nachfolgende Vermischung des Kraftstoffes mit der Luft ergeben.

Die Luftbewegung wird dabei durch zwei Massnahmen hervorgerufen: durch die genannte Drehung der Verbrennungsluft (initiale Luftdrehung) um die Brennraumlängsachse entstehend während des Ansaughubes und dadurch, dass der Brennraum nach oben hin eingezogen ist, so dass beim Einströmen der Luft in den Brennraum (beim Verdichtungshub) eine turbulente Quetschströmung entsteht. Dabei ist natürlich die achsensymmetrische Drehbewegung, die im oberen Totpunkt des Kolbens ihre höchste Geschwindigkeit erreicht, für die Ablösung des aufgespritzten Kraftstoffes besonders geeignet; da aber die Luftbewegung genügend heftig sein muss, um den Kraftstoff schnell und sicher ablösen zu können, wird man bemüht sein, zu der Drehbwegung noch die Quetschströmung heranzuziehen, denn durch die Überlagerung der rotierenden horizontalen Strömung der angesaugten Luft mit der annähernd rechtwinkelig dazu auftretenden Strömung durch das Überschieben der Luft in den Brennraum wird eine intensive Turbulenz erzeugt, wobei durch die Einschnürung eine turbulenzfördernde Geschwindigkeitserhöhung der Überschiebeströmung erreicht wird. Daraus resultiert eine rasch ablaufende, ausgezeichnete Gemischaufbereitung und in weiterer Folge ein wesentlich günstigerer Verbrennungsablauf. Dies gilt aber überwiegend nur für den oberen Drehzahlbereich. Im niedrigen Drehzahlbereich können zu starke Quetschwirbel sich aber wieder negativ auf die Verbrennung auswirken, da sie den in den Brennraum eintretenden Kraftstoffstrahl, der im niedrigen Drehzahlbereich nur eine geringe kinetische Energie besitzt, beim Eintauchen in den Brennraum zur Brennraumwand ablenken können. Gerade im niedrigen Drehzahlbereich soll aber wegen der noch relativ kühlen Brennraumwand eine geringe Wandauf-tragung erfolgen und mehr eine unmittelbare Vermischung des Kraftstoffes mit der Luft stattfinden.

Bei der bekannten Brennkraftmaschine wird dies zuerst

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einmal durch die grössere freie Länge des Kraftstoffstrahles erreicht, wobei noch zusätzlich die im Durchmesser etwas grösser gewählte Überströmöffnung und auch die Senkung der Drehfrequenz der Luft im Brennraum dazu beitragen.

Es hat sich nun herausgestellt, dass auch bei dieser Brennkraftmaschine die Quetschwirbel bzw. Sekundärwirbel oftmals die Ursache für eine nicht ganz optimale Verbrennung im niedrigen Drehzahlbereich waren, da, so muss es wenigstens angenommen werden, anscheinend immer noch eine zu intensive Ablenkung an die noch zu kühle Brennraumwand erfolgte. Eine noch stärkere Vergrösserung des Überströmöff-nungsdurchmessers würde zwar für den niedrigen Drehzahlbereich eine weitere Verbesserung bringen, würde aber die Werte im oberen Drehzahlbereich stark verschlechtern.

Hier setzt nun die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, bei einer Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Art die entstehenden Quetschwirbel in einfacher, unkomplizierter Weise im Bereich des Kraftstoffeintrittes in den Brennraum so zu beeinflussen, dass bei einem möglichst breit gewählten Kraftstoffauftreffbereich im unteren Viertel des Brennraumes und bei weitgehend freier Wahl der Brennraumform im Leerlauf und im unteren und mittleren Teillastgebiet des Motors eine bestmögliche Verminderung der Blau- und Weissrauchbildung erreicht wird, ohne dass eine Verschlechterung der Betriebsdaten im oberen Last- bzw. Drehzahlbereich eintritt.

Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst,

dass die eingeschnürte Überströmöffnung einen ovalen Querschnitt und in Umfangsrichtung unterschiedliche Wandhöhen aufweist, dass, in Draufsicht auf den Brennraum gesehen, der grössere Durchmesser der Überströmöffnung durch die Brennraumlängsachse in Richtung zum Strahlabspritzpunkt der Einspritzdüse verläuft, wobei der Abstand des Strahlabspritzpunktes zur Brennraumlängsachse das 0,35- bis 0,70fache des Brennraumdurchmessers beträgt und die Kraftstoffstrahlrichtung einmal, in eine zur Brennraumlängsachse senkrechte Ebene projiziert, mit einer Geraden, die durch die Brennraumlängsachse und den Strahlabspritzpunkt geht,

einen Winkel von 10 bis 50° einschliesst und zum weiteren mit einer zur Brennraumlängsachse senkrechten Ebene einen Winkel von 20 bis 60° bildet.

Durch die erfindungsgemässe Ausbildung und Lage der Überströmöffnung können die Quetschwirbel im Bereich des Kraftstoffeintritts in den Brennraum derart abgeschwächt werden, dass der Kraftstoffstrahl innnerhalb des angegebenen Lagebereichs des Strahlabspritzpunktes bzw. der Winkelbereiche der Kraftstoffstrahlrichtung weniger stark an die Brennraumwand abgelenkt wird. Dies wird folgendermassen erklärt: erstens verringert sich in den Endbereichen des grösseren Durchmessers der ovalen Überströmöffnung durch die geringere Entfernung der Brennraumöffnung zur Zylinderwandung die Intensität der Quetschströmung und zweitens liegt in diesen Bereichen auch eine geringere Hinterschnei-dung von der Überströmöffnung zur Brennraumseitenwand vor. Dadurch werden die Quetschwirbel weniger stark zur Brennraumseitenwand umgelenkt bzw. die Umlenkung wird durch die grössere Wandhöhe in diesen Bereichen tiefer in den Brennraum verlegt, wodurch die Intensität der Kraftstoffwandanlagerung nachlässt. Der weniger starke Quetschwirbel wirkt sich somit nur positiv hinsichtlich Ablenkung des Kraftstoffstrahles in Richtung Wand aus, d.h. er fördert im unteren Drehzahlbereich die unmittelbare Vermischung mit der Luft. Dabei ergeben sich auch in den oberen Drehzahl- bzw. Lastbereichen keine Verschlechterungen, und zwar schon deshalb, weil in den Bereichen des kleineren Durchmessers der Überströmöffnung eine stärkere Quetschwirbelbildung stets beibehalten wird bzw. die im oberen Drehzahlbereich energiestärkeren Kraftstoffstrahlen stets die Brennraumwand erreichen,

nicht zuletzt auch wegen der höheren Drehfrequenz der Luft. Somit wird in allen Drehzahlbereichen eine bessere Aufbereitung des Kraftstoffes erzielt, was zu einer deutlichen Verbesserung der Abgaswerte führt. 5 Das Durchmesserverhältnis di/dî der ovalen Überströmöffnung kann vorteilhaft zwischen 1,05 und 1,25 liegen.

Der Strahlabspritzpunkt kann nicht nur in radialer Richtung verschiedene Lagen einnehmen, sondern er kann auch (innerhalb der angegebenen Abstände zur Brennraumlängs-to achse) von der Brennraumlängsachse aus gesehen um maximal ± 20° von der Richtung des grösseren Durchmessers di der Überströmöffnung abweichen.

Die Überströmöffnung kann die Form einer Ellipse oder die Form eines Langloches aufweisen.

15 In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Wandung der Überströmöffnung vertikal, d.h. parallel zur Brennraumlängsachse ausgebildet sein. Dabei ist die Wandhöhe vorzugsweise in den Wandungsbereichen des grösseren Durchmessers di am grössten und in den Wan-20 dungsbereichen des kleineren Durchmesseres dì am kleinsten. In vorteilhafter Weise kann die grösste Wandhöhe zwischen 15 und 20% und die kleinste Wandhöhe zwischen 5 und 10% des Brennraumdurchmessers D betragen.

Der Luftdrall der rotierenden Verbrennungsluft beträgt 25 vorzugsweise zwischen 130 und 180 Hz.

Sofern ein kugelförmiger Brennraum Verwendung findet, kann ein besonders günstiger Verbrennungsablauf dann erreicht werden, wenn der Abstand des Strahlabspritzpunktes zur Brennraumlängsachse das 0,50- bis 0,55-fache des Brenn-30 raumdurchmessers beträgt, die in die zur Brennraumlängsachse projizierte Kraftstoffstrahlrichtung mit der Geraden, die durch die Brennraumlängsachse und den Strahlabspritzpunkt geht, einen Winkel von 15 bis 40° einschliesst, ferner die Kraftstoffstrahlrichtung mit der zur Brennraumlängsachse 35 senkrechten Ebene einen Winkel von 40 bis 50° bildet und das Durchmesserverhältnis di/d2 1,10 bis 1,15 beträgt.

Weitere Einzelheiten bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung können den Zeichnungen entnommen werden und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

4o Fig. 1 einen Längsschnitt durch den oberen Teil eines Kolbens im oberen Totpunkt mit zwei eingezeichneten Kraftstoffstrahlen,

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

45 Fig. 3 einen Schnitt in der Ebene des einen Kraftstoffstrahles gemäss III-III in Fig. 2 (Hilfskonstruktion),

Fig. 4 eine Abwicklung der Wandhöhe der Überströmöffnung über einen Winkelbereich von 0 bis 180°.

In den Figuren 1 und 2 weist ein nur zum Teil dargestell-50 ter Kolben 1 in seinem Kolbenboden 2 einen kugelförmigen Brennraum 3 mit einem Durchmesser D auf. Der Brennraum 3, der auch andere rotationssymetrische Formen aufweisen kann, ist durch eine eingeschnürte Überströmöffnung 4 mit dem Zylinderraum 12 verbunden. In der halsförmigen Über-55 strömöffnung 4, die einen ovalförmigen Querschnitt in Form einer Ellipse oder eines Langloches aufweist, ist eine Schnaupe 5 zur Einspritzung des Kraftstoffes durch eine Einspritzdüse 7, welche aussermittig der Brennraumlängsache 13 im Zylinderkopf 6 angeordnet ist, vorgesehen. Durch die 60 ovale Formgebung der Überströmöffnung 4 ist aber die Notwendigkeit einer Schnaupe nicht Bedingung.

Die Äquatorebene des Brennraumes 3 ist durch eine strichpunktierte Linie 8 gekennzeichnet. Die Einspritzung des Kraftstoffes erfolgt in das untere Viertel des Brennraumes 3. 65 Dies erreicht man durch entsprechende Wahl des Düsenwinkels (Abweichung der Strahlrichtung von der Düsenachse) bzw. entsprechender Wahl der Düsenlage und/oder durch entsprechende Drehung der Einspritzdüse. Durch die Ein

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spritzung des Kraftstoffes in den unteren Bereich des Brennraumes ergibt sich eine grössere freie Länge des Kraftstoffstrahles.

Die Linien 9 und 9a zeigen die Richtung von zwei geometrischen Kraftstoffstrahlen an, die bei den Punkten 10 und 10a auf die Brennraumwand 11 auftreffen. Erfmdungsgemäss wird die Kraftstoffstrahlrichtung so gewählt, dass der geometrische Kraftstoffstrahl, in einer zur Brennraumachse 13 senkrechten Ebene projiziert, mit einer Geraden 17, die vom Strahlabspritzpunkt 15 durch die Brennraumlängsachse 13 (Brennraummittel) verläuft, einen Winkel y zwischen 10 und 50° einschliesst und zum weiteren, mit einer zur Brennraumlängsachse 13 senkrechten Ebene, beispielsweise Zylinderkopfebene, einen Winkel y von 20 bis 60° bildet.

Im Ausführungsbeispiel ergibt sich für den Kraftstoffstrahl 9 ein y-Wert von etwa 17° und für den Kraftstoffstrahl 9a ein ya-Wert von etwa 38°.

In der Figur 2 ist eine ellipsenförmige Überströmöffnung 4 dargestellt. Der grössere Durchmesser der Ellipse wird mit di und der kleinere Durchmesser mit ài bezeichnet. Das Durchmesserverhältnis di/d2 liegt zwischen 1,05 und 1,25. Der Strahlabspritzpunkt 15 ist im Endbereich des grösseren Durchmessers di angeordnet und kann innerhalb des Bereiches 19 liegen. Er kann ± 20° von der Richtung des grösseren Durchmessers di abweichen; im Ausführungsbeispiel beträgt die Abweichung etwa 10°. Der Abstand des Strahlabspritzpunktes zur Brennraummitte ist mit 1 bezeichnet. Er kann das 0,35- bis 0,70fache des Brennraumdurchmessers D betragen. Im Ausführungsbeispiel ergibt sich für 1 etwa 0,55 D. Der Pfeil 14 gibt die Drehrichtung der Luft an.

Bei einer Lageänderung des Strahlabspritzpunktes 15 innerhalb des in der Fig. 2 strichlierten Bereiches 19 ergibt sich zwar auch jeweils eine andere Auftreffpunktlage des Kraftstoffstrahles auf der Brennraumwand 11, der Winkelwert für y und 8 bleibt aber dabei in etwa erhalten, vorausgesetzt, die anderen Bedingungen, wie z.B. der Düsenwinkel, werden beibehalten. Ganz exakt gilt dies nur für einen kugelförmigen Brennraum, mit dem man die besten Ergebnisse dann erzielt, wenn die Entfernung (1) des Strahlabspritzpunk-5 tes 15 zur Brennraummitte das 0,50- bis 0,55fache des Brennraumdurchmessers D beträgt, der Winkel y zwischen 15 und 40° und der Winkel 8 zwischen 40 und 50° liegt und bei dem das Durchmesserverhältnis di/dî des ovalen Brennraumhalses 1,10 bis 1,15 beträgt.

io In der Fig. 3 ist der y-Wert für den Kraftstoffstrahl 9 dargestellt. Dieser hat in der Figur etwa 45°. Aus dieser Figur ist auch die tatsächliche Strahllänge des geometrischen Kraftstoffstrahles 9 entnehmbar. Dieser trifft in Punkt 10 auf die Brennraum wand auf. Der Punkt 10 liegt dabei auf einem 15 Kreis, welcher als Schnitt der Ebene III-III gemäss Fig. 2 mit dem kugelförmigen Brennraum entsteht. Die Fig. 3 dient lediglich als Hilfskonstruktion für die Darstellung des Winkels y, wobei die zur Zylinderachse senkrechte Ebene, z.B. Zylinderkopfebene, mit 16 bezeichnet ist.

2o Die Fig. 4 zeigt die Abwicklung der Wandhöhe der Überströmöffnung 4 über einen Winkelbereich von 0 bis 180°.

Durch die Erfindung wird bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art mit einfachen Mitteln, nämlich durch besondere Ausgestaltung des Brennraumhalses bei Ein-25 haltung bestimmter Voraussetzungen für die Einpritzung des Kraftstoffes in den Brennraum, eine jeweils erwünschte Gemischbildung selbsttätig herbeigeführt, wobei der Übergang von Teillast- auf Vollastbetrieb ebenfalls in selbsttätiger Anpassung an die jeweils erforderliche Luft- bzw. Wandver-30 teilung des Kraftstoffes erfolgt. Es sind dazu keine besonderen mechanischen Hilfsmittel und/oder von aussen her vorzunehmende Regelmassnahmen zur Erreichung dieses Effektes notwendig. Ausserdem ist es nicht erforderlich, dass so enge Bereiche für die Drehfrequenz der Luft wie beim Stand 35 der Technik (DE-PS 20 38 048) eingehalten werden müssen.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine, welche im Kolben (1) einen rotationskörperförmigen Brennraum (3) mit eingeschnürter Überströmöffnung (4) aufweist und bei der der einströmenden Verbrennungsluft eine Drehbewegung um die Brennraumlängsachse (13) erteilt wird und der Kraftstoff über eine aussermittig in der Nähe des Brennraumöffnungsgrades im Zylinderkopf (6) angeordnete Einspritzdüse (7) mit nur einem Strahl (9; 9a) derart in Richtung der rotierenden Verbrennungsluft in den Brennraum (3) eingespritzt wird, dass an der Brennraumwand (11) die Bildung eines Kraftstoffilms erfolgt, wobei der Auftreffpunkt (10; 10a) des Kraftstoffstrahles (9; 9a) auf die Brennraumwand (11) durch entsprechende Wahl des Düsenwinkels und der Düsenlage im untersten Viertel des Brennraumes (3) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die eingeschnürte Überströmöffnung (4) einen ovalen Querschnitt und in Umfangsrich-tung unterschiedliche Wandhöhen aufweist, dass, in Draufsicht auf den Brennraum (3) gesehen, der grössere Durchmesser (di) der Überströmöffnung (4) durch die Brennraumlängsachse (13) in Richtung zum Strahlabspritzpunkt (15) der Einspritzdüse (7) verläuft, wobei der Abstand (1) des Strahlabspritzpunktes (15) zur Brennraumlängsachse (13) das 0,35- bis 0,70fache des Brennraumdurchmessers (D) beträgt und die Kraftstoffstrahlrichtung (9) einmal, in eine zur Brennraumlängsachse (13) senkrechte Ebene projiziert, mit einer Geraden (17), die durch die Brennraumlängsachse (13) und den Strahlabspritzpunkt (15) geht, einen Winkel (y) von 10 bis 50° einschliesst und zum weiteren mit einer zur Brennraumlängsachse (13) senkrechten Ebene (16) einen Winkel (8) von 20 bis 60° bildet.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchmesserverhältnis (di/d2) der ovalen Überströmöffnung (4) zwischen 1,05 und 1,25 liegt.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung der Geraden (17), die durch die Brennraumlängsachse und den Strahlabspritzpunkt (15) geht, von der Richtung des grösseren Durchmessers (di) der Überströmöffnung (4) um maximal ± 20° abweicht.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ovale Überströmöffnung (4) die Form einer Ellipse hat.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ovale Überströmöffnung (4) die Form eines Langloches hat, welche Form aus zwei Halbkreisen und zwei geraden mittleren Zwischenstücken gebildet ist.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung der Überströmöffnung (4) vertikal, d.h. parallel zur Brennraumlängsachse (13), verläuft.

7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandhöhe der Überströmöffnung (4) in den Wandungsbereichen des grösseren Durchmessers (di) am grössten und in den Wandungsbereichen des kleineren Durchmessers (dì) am kleinsten ist.

8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die kleinste Wandhöhe der Überströmöffnung (4) 5 bis 10% und die grösste Wandhöhe 15 bis 20% des Brennraumdurchmessers (D) beträgt.

9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehfrequenz der rotierenden Verbrennungsluft - bezogen auf den Messdurchmesser, d.h. den 0,7fachen Zylinder- bzw. Kolbendurchmesser, und maximalen Ventilhub sowie 10 m/sec mittlere Kolbengeschwindigkeit - zwischen 130 und 180 Hz beträgt.

10. Brennkraftmaschine nach Aspruch 2, in welcher der Brennraum (3) kugelförmig ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (1) des Strahlabspritzpunktes (15) zur Brennraumlängsachse (13) das 0,50- bis 0,55fache des Brennraumdurchmessers (D) beträgt, dass der erstgenannte Winkel (y) zwischen 15 und 40° und der zweitgenannte Winkel (5) zwischen 40 und 50° liegt und dass das Durchmesserverhältnis (diAh) der Überströmöffnung (4) zwischen 1,10 und 1,15 liegt.