DE1012775B

DE1012775B - Air-compressing, self-igniting internal combustion engine

Info

Publication number: DE1012775B
Application number: DEM21514A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Siegfried Meurer
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1954-01-15
Filing date: 1954-01-15
Publication date: 1957-07-25

Description

Luftverdichtende, selbstzündende Brerlrikraftmaschine Die Erfindung betrifft eine luftverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschine, bei welcher der flüssige Kraftstoff gegen Ende des Verdichtungshubes in den Zylinder eingespritzt und unmittelbar auf eine Brennräumwand aufgetragen und dort in Filmform ausgebreitet wird. Die Brennraumwand ist dabei auf einer Temperatur gehalten, die unter der thermischen Zerfalltemperatur des Kraftstoffes, aber noch in dessen Siedebereich liegt. Um den Kraftstoff in Filmform auf der Brennraumwand 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 häftenbleibt; _ dies wird dadurch erreicht, daß ein oder mehrere Kraftstoffstrahlen bei jeweils kurzer freier Strahlweglänge unter spitzem Auftreffwirikel 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 Auftreff= stellen des Ikraftstoffes und der filmartig vom Kraftstoff benetzten Wandungsfiäche vorbeigeführt; wodurch der Kraftstoff, allmählich in Dampfform von der Wand abgelöst, mit der Luft vermischt und verbrannt wird. Eine in dieser Weise arbeitende Brennkraftrnäschine ist in der deutschen Patentschrift 865 683 beschrieben.Air-compressing, self-igniting engine The invention relates to an air-compressing, self-igniting internal combustion engine in which the liquid fuel is injected into the cylinder towards the end of the compression stroke and applied directly to a combustion chamber wall and spread out there in film form will. The combustion chamber wall is kept at a temperature below the thermal one Decomposition temperature of the fuel, but still in its boiling range. To the Spreading fuel in film form on the combustion chamber wall is carried out on the wall of the combustion chamber in such a way that it is non-reflective as possible large area of the combustion chamber wall is wetted with fuel that remains adhering to the wall; _ This is achieved by having one or more fuel jets at each short free jet path length with a pointed impact vortex on the combustion chamber wall are directed. The combustion air; which already upon their entry into the The cylinder is given a rotational movement in the same direction as the fuel injection is, is at high speed at the point of impact of the fuel and passed by the wall surface wetted by the fuel in a film-like manner; through which the fuel, gradually detached from the wall in vapor form, mixed with the air and is burned. A combustion engine operating in this way is in the German patent 865 683.

Zweck der vorliegenden Erfindung ist eine Verbesserung der bekannten Brennkraftmasehine durch besondere Maßnahmen hinsichtlich der Kraftstoffeinspritzung und des Verdichtungsverhältnisses, welche eine zuverlässige Zündung gewährleisten, ohne daß dadurch die Eigenschaften der bekannten Maschine im Hinblick auf geräuscharmen Verbrennungsablauf und Wirtschaftlichkeit nachteilig beeinflußt werden.The purpose of the present invention is to improve on the known Internal combustion engine through special measures with regard to fuel injection and the compression ratio, which ensure reliable ignition, without affecting the properties of the known machine in terms of low noise The combustion process and economy are adversely affected.

Die der Erfindung zugrunde liegende 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 Brennraumwand vorzeitige chemische Zerfallsreaktionen des Kraftstoffes, die einen zu plötzlichen Verbrennungsablauf mit hohen Drucksteigerungen und Auftreten von Klopfgeräuschen zur Folge haben, vermieden werden.The known machine on which the invention is based has to this extent a decisive step forward over all others with predominantly air distribution of the fuel working internal combustion engines than by the film-like application premature chemical decomposition reactions of the fuel on the combustion chamber wall Fuel that has too sudden a combustion process with high pressure increases and the occurrence of knocking noises should be avoided.

Es hat sich nun aber gezeigt, daß bei einer filrriartigen Äuftragung des Kraftstoffes auf die Brennraumwand mit Ablösung und Vermischung desselben in Dampfform an die Zündung des so gebildeten Brennstoffdampf-Luft-Gemisches bestimmte Anforderungen zu stellen sind, die bei der bekannten Maschine noch nicht in befriedigender Weise erfüllt werden. Die Zündung in einer Dieselmaschine wird bekanntlich durch die am Ende des Verdichtungshubes entstehende Kompressionswärme herbeigeführt. Während nun bei Brennkraftmaschinen, welche mit ausgesprochener Luftverteilung des Kraftstoffes arbeiten; in dieser Hinsicht keine Schwierigkeiten bestehen, da die Verdichtungsendtemperatur über der Zündtemperatur des in die Luft eingespritzten Kraftstoffes 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 Verdampfungsvorgang an der Brennraumwand, der schnell aufeinanderfolgend nur Teilmengen erfaßt, läßt ein Brennstoffdampf-Luft-Gemisch entstehen, dessen Zündpunkt so hoch liegt; daß es in der kurzen zur Verfügung stehenden Zeit allein durch die Verdichtungsendtemperatur nicht mehr gezündet werden kann. Denn der Zündpunkt derartiger Gemische liegt erfahrungsgemäß bei etwa 700° C, während die bei der Kompression entstehende Endtemperatur nur etwa 500° erreicht. Würde man also den Kraftstoff 100 1/aig auf die Wand verteilen und in dieser Verteilung zur Verdampfung bringen; dann würde eine Zündung durch die Kompressionswärme.nicht mehr zustande kommen: Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß bei der Bildung eines Gemisches, welches aus an der Brennraumwand verdampftem Kraftstoff und Luft besteht, zur Einleitung der Zündung ein luftverteilter Kraftstoffanteil erforderlich ist; der eine bestimmte Mindestgrenze einhalten muß; damit in allen Betriebszuständen eine zuverlässige Zündung gewährleistet ist. Diesem Umstand wird die bekannte, mit Wandverteilung des Kraftstoffes arbeitende Brefinkraftmaschine nur in unvollkommener Weise insoweit gerecht, als zwangläufig auch dort mit der auf die Wand verteilten Kraftstoffeinspritzung durch Randablösung eine gewisse Luftverteilung verbunden ist, welche vom geschlossenen Kraftstoffstrahl abgesplitterte Kraftstoffteilchen zur unmittelbaren Vermischung mit der Luft gelangen läßt, wodurch die Einleitung der Zündung für das übrige Brennstoffdampf-Luft-Gemisch ermöglicht wird. Eine in dieser Weise bewirkte Zündung ist jedoch unbestimmt, d. h. 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. Andererseits gibt die bekannte Maschine auch noch keinen Aufschluß darüber, wie bei Unterteilung der Kraftstoffeinspritzung in einen wand- und luftverteilten Kraftstoffanteil bestimmter Größenordnungen das Verdichtungsverhältnis zu wählen ist, welches für die Zündung des luftverteilten Kraftstoffes gleichfalls eine Rolle spielt.But it has now been shown that with a filrri-like application of the fuel on the combustion chamber wall with detachment and mixing of the same in Vapor form determined by the ignition of the fuel-vapor-air mixture thus formed Requirements are to be made that are not yet more satisfactory in the case of the known machine Way to be fulfilled. The ignition in a diesel engine is known to be through the compression heat generated at the end of the compression stroke. While now with internal combustion engines, which with pronounced air distribution of the fuel work; there are no difficulties in this regard, since the compression end temperature is above the ignition temperature of the fuel injected into the air and the fuel distributed in the air has the ignition point of the liquid in the vapor state, if this is a mixture; that from fuel evaporated on the combustion chamber wall and air exists, much differently. The evaporation process on the combustion chamber wall, which detects only partial quantities in quick succession, leaves a fuel-vapor-air mixture arise whose ignition point is so high; that it is available in the short Time can no longer be ignited by the compression end temperature alone. Experience has shown that the ignition point of such mixtures is around 700 ° C, while the final temperature resulting from the compression only reaches about 500 °. Would So you distribute the fuel 100 1 / aig on the wall and in this distribution bring to evaporation; then ignition by the heat of compression would not more come about: The invention is based on the knowledge that in education a mixture consisting of fuel and air evaporated on the combustion chamber wall exists, an air-distributed fuel component is required to initiate the ignition is; who must adhere to a certain minimum limit; thus in all operating states reliable ignition is guaranteed. This fact becomes the familiar with Wall distribution of the fuel operating Brefin engine only fair in an imperfect way to the extent that inevitably also there with the on the wall distributed fuel injection through edge detachment a certain air distribution is connected, which from the closed fuel jet splintered off fuel particles to get directly mixed with the air, whereby the introduction ignition is enabled for the rest of the fuel-vapor-air mixture. One in however, ignition effected in this way is indefinite; H. more or less still Left to chance, and leads to failure when the wall distribution of the fuel is extended beyond a permissible maximum limit, as is the case with the known Machine is free. On the other hand, the well-known machine does not yet exist Provides information on how, when the fuel injection is divided into a wall-mounted and air-distributed fuel content of certain orders of magnitude, the compression ratio you have to choose which one is also used for the ignition of the air-dispersed fuel plays a role.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, diese bei der bekannten Maschine noch bestehenden Mängel zu beseitigen. Die Erfindung besteht demgemäß darin, daß bei einer Brennkraftmaschine mit Wandverteilung des Kraftstoffes der eingangs beschriebenen Art der Hauptteil des eingespritzten Kraftstoffes, jedoch nicht mehr als 981/o, in filmartiger Verteilung auf die Brennraumwand aufgetragen wird, während gleichzeitig der restliche Teil des Kraftstoffes, mindestens aber 21/9 und höchstens so viel, daß sich im Lauf der Maschine gerade kein wahrnehmbares Zündgeräusch mehr zeigt, unmittelbar in die Verbrennungsluft eingespritzt wird, wobei das Verdichtungsverhältnis so gewählt ist, daß eine Selbstzündung des luftverteilt eingespritzten Kraftstoffanteils mit Sicherheit erfolgt, daß dagegen der auf die Wand aufgebrachte Kraftstoff allein nicht zündet.The object of the invention is therefore to provide this in the known machine to eliminate any remaining deficiencies. The invention accordingly consists in that in the case of an internal combustion engine with wall distribution of the fuel, the one described at the beginning Type of main part of the injected fuel, but not more than 981 / o, is applied in a film-like distribution on the combustion chamber wall, while at the same time the remaining part of the fuel, but at least 21/9 and at most as much, that while the machine is running there is no more perceptible ignition noise, is injected directly into the combustion air, with the compression ratio is chosen so that auto-ignition of the air-distributed injected fuel component with certainty that, on the other hand, the fuel applied to the wall alone does not ignite.

Die Zündung wird sonach erfindungsgemäß als Selbstzündungsvorgang eines bestimmten luftverteilten Kraftstoffanteiles, der eine Mindestgrenze nicht unterschreiten und eine Höchstgrenze nicht überschreiten darf, sichergestellt. Die Luftverteilung des Kraftstoffes liegt dabei zweckmäßig zwischen 2 und 10%. Dadurch ergibt sich eine gute Stabilisierung der Zündung, und es erübrigt sich der Einbau einer Hilfszündung, welche nach in der Dieselmotorentechnik bekannten Vorbildern bei unsicheren Zündverhältnissen das nächstliegende wäre.The ignition is therefore according to the invention as a self-ignition process a certain air-distributed fuel proportion that is not a minimum limit fall below and not exceed a maximum limit is ensured. the The air distribution of the fuel is expediently between 2 and 10%. Through this the ignition is stabilized well and there is no need for installation an auxiliary ignition, which is based on models known in diesel engine technology would be the most obvious in the case of unsafe ignition conditions.

Die Wahl des Verdichtungsverhältnisses, welche in der erfindungsgemäß angegebenen Weise auf - die Zündeigenschaften des Luft- und wandverteilten Kraftstoffes abgestellt ist, hängt natürlich auch von der Art des verwendeten Kraftstoffes ab und wird mit durch den vorgegebenen Zylinderdurchmesser bestimmt. Das Verdichtungsverhältnis einer Maschine gemäß der Erfindung liegt im Bereich der bei Dieselmaschinen üblichen Werte, ist hierbei jedoch infolge der erfindungsgemäß vorgegebenen Bedingungen verhältnismäßig eng begrenzt. Für den Betrieb mit Gasöl kommt beispielsweise ein Verdichtungsverhältnis 1 :17, bei Betrieb mit Benzin ein Verdichtungsverhältnis von etwa 1 : 20 in Betracht.The choice of the compression ratio, which is based on the ignition properties of the air and wall-distributed fuel in the manner specified according to the invention, naturally also depends on the type of fuel used and is also determined by the predetermined cylinder diameter. The compression ratio of a machine according to the invention is in the range of the values customary for diesel machines, but is here relatively narrowly limited as a result of the conditions specified according to the invention. For operation with gas oil, for example, a compression ratio of 1:17 is possible , for operation with gasoline a compression ratio of approximately 1:20.

Die Maschine gemäß der Erfindung ist weiterhin auch hinsichtlich der Formgebung des Brennraumes an gewisse Voraussetzungen gebunden, die ähnlich wie bei der bekannten Maschine im wesentlichen darin bestehen, daß erstens eine filmartige Auftragung des Kraftstoffes möglich ist, zweitens die erforderliche Wandtemperatur gewährleistet ist und drittens die Verbrennungsluft im Brennraum eine besonders intensive, über die vom Kraftstoff benetzte Wandungsstelle hinwegstreichende Luftbewegung ausführen kann.The machine according to the invention is furthermore also in terms of Shaping of the combustion chamber tied to certain requirements, which are similar to consist essentially in the known machine that, firstly, a film-like Application of the fuel is possible, secondly, the required wall temperature is guaranteed and thirdly, the combustion air in the combustion chamber is a special one intensive air movement sweeping over the wall area wetted by the fuel can perform.

Praktisch kommen dabei in erster Linie Brennräume in Betracht, wie sie in der deutschen Patentschrift 865 683 aufgezeigt sind. Auch die Luftbewegung wird zweckmäßig in der gleichen Weise wie dort vorgesehen.In practice, combustion chambers are primarily considered, such as they are shown in German Patent 865,683. Also the air movement is expediently provided in the same way as there.

Die Vorteile der erfindungsgemäß verbesserten Maschine gegenüber der bekannten liegen darin, daß unter Beibehaltung der dieser letzteren eigentümlichen ruhigen, stoßfreien Verbrennung bei geringer Abgastrübung und wirtschaftlichem Kraftstoffverbrauch für alle Betriebszustände auch die Zündung des Brennstoffdampf-Luft-Gemisches in einwandfreier Weise gewährleistet und stabilisiert ist.The advantages of the machine improved according to the invention over the known lie in the fact that while maintaining the latter peculiar quiet, shock-free combustion with low exhaust gas opacity and economical fuel consumption for all operating states also the ignition of the fuel-vapor-air mixture in is properly guaranteed and stabilized.

Zum Stande der Technik wird folgendes vermerkt: 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 Gemischbildung 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 865 683 sind jedoch erstmals grundsätzlich und durch die Erfindung in verbesserter Form die Voraussetzungen gegeben worden, unter denen man die Wandberührung des Kraftstoffes in vorteilhafter Weise gegenüber der herkömmlichen Gemischbildung zur Anwendung bringen kann.The following is noted with regard to the state of the art: About the reaction kinetics The effects of the fuel coming into contact with the wall have been reported earlier, However, regardless of the identified connections, the view is still held there, that in the wall contact of the fuel a proper sequence of the mixture formation inhibiting process can be seen, since the mixture formation via the combustion chamber wall represents temporal detour. This view applies to the embodiments known at the time of diesel engines undoubtedly too. However, by the German patent specification 865 683 for the first time in principle and through the invention in an improved form, the prerequisites been given, under which one the wall contact of the fuel in more advantageous Way can apply compared to the conventional mixture formation.

Weiterhin ist auch bereits ein älterer Vorschlag bekannt, wonach bei einem rotationskörperförmigen Brennraum mit taschenartigen Einschnitten an der Brennraumöffnung der Kraftstoff durch einen dieser Einschnitte so eingespritzt wird, daß der Einspritzweg längs der Brennraumwand verläuft und auf diese Weise Kraftstoff auf die Brennraumwandung gelangt; hierbei soll durch die Einschnitte an der Brennraumöffnung eine Luftbewegung herbeigeführt werden, welche die Zerstäubung des Kraftstoffes und Vermischung desselben mit der Verbrennungsluft bewirkt. Auch diese vorbekannte Anordnung entspricht nicht der Erfindung, da 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 zerfällt und zweitens ohne einen solchen Zerfall in Teilmengen aufeinanderfolgend im wesentlichen nur in Dampfform mit der Verbrennungsluft zur Vermischung gelangt. Da bei der bekannten älteren Anordnung die innige Vermischung von hochzerstäubtem Kraftstoff mit der Luft im Sinne der bisherigen Anschauung und im Gegensatz zur Erfindung gewolltes Ziel und Ergebnis der dort vorgesehenen Maßnahmen ist, sieht diese bekannte Brennraumanordnung eine Einspritzung des Kraftstoffes nicht nur in Richtung der Luftbewegung, sondern in gleicher Weise entgegen der letzteren vor, wodurch die beabsichtigte Zerstäubung und Luftverteilung des Kraftstoffes noch gesteigert werden soll.Furthermore, an older proposal is already known, according to which a rotational body-shaped combustion chamber with pocket-like incisions at the combustion chamber opening the fuel is injected through one of these incisions so that the injection path runs along the combustion chamber wall and in this way fuel on the combustion chamber wall arrives; this should cause an air movement through the incisions at the combustion chamber opening be brought about, which is the atomization of the fuel and mixing of the same with the combustion air. This previously known arrangement does not correspond either of the invention, since there no measures are provided that the fuel is not mixed and comes film-like on the wall and that if necessary, comes on the wall Fuel is further treated in such a way that, firstly, it does not chemically adhere to the wall prematurely disintegrates and, secondly, without such disintegration, successively into subsets essentially only gets mixed with the combustion air in vapor form. Since in the known older arrangement, the intimate mixing of highly atomized Fuel with the air in the sense of the previous view and in contrast to Invention is the intended aim and result of the measures provided there, sees this known combustion chamber arrangement is not only an injection of the fuel in Direction of air movement, but in the same way opposite to the latter, which increases the intended atomization and air distribution of the fuel shall be.

Claims

PATENT CLAIM: Air-compressing, self-igniting internal combustion engine, at which the liquid fuel towards the end of the compression stroke injected into the cylinder and applied directly to a combustion chamber wall whose temperature is below the thermal decomposition temperature, but still in the boiling range of the fuel, the application of the fuel to the combustion chamber wall takes place without reflection in such a way that the largest possible area of the combustion chamber wall is wetted with fuel, the fuel sticks to the wall and the combustion air is carried past the point of impact of the fuel on the combustion chamber wall, characterized in that the majority of the injected fuel, however not more than 98 ° / a, applied in a film-like distribution to the combustion chamber wall is, while at the same time the remaining part of the fuel, but at least 2% and at most so much that there is just no noticeable when the machine is running The ignition noise is injected directly into the combustion air, the compression ratio being chosen so that autoignition of the air diffuses injected fuel portion takes place with certainty that, on the other hand, the Wall-mounted fuel alone will not ignite. Considered publications: German Patent No. 865 683; French Patent No. 828,704; British U.S. Patent No. 643,351; Motortechnische Zeitschrift (MTZ), 1944, pages 3 to 11.