DE1037756B

DE1037756B - Injection internal combustion engine with a swirl chamber arranged in the cylinder head

Info

Publication number: DE1037756B
Application number: DEB39147A
Authority: DE
Inventors: Erich Baentsch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1956-02-16
Filing date: 1956-02-16
Publication date: 1958-08-28

Description

Einspritzbrennkraftmaschine mit einer im Zylinderkopf angeordneten Wirbelkammer An der Entwicklung von Einspritzbrennkraftmaschinen ist seit Jahren intensiv gearbeitet worden; trotz zahlreicher Vorschläge zu ihrer Ausgestaltung konnten diese Maschinen den Vergasermotoren nicht in nennenswertem Maße Abbruch tun. Der Vergasermotor weist bei Vollast einen günstigen Brennstoffverbrauch auf, der wesentlich auf den geringen Luftüberschuß infolge der guten Durchmischungsverhältnisse zurückzuführen ist.Injection internal combustion engine with one arranged in the cylinder head Vortex chamber The development of injection internal combustion engines has been going on for years intensely worked; despite numerous suggestions for their design these machines could not destroy the carburettor engines to any significant extent to do. The carburetor engine has a favorable fuel consumption at full load, which is largely due to the small excess of air due to the good mixing ratios is due.

Die Erfindung betrifft eine Einspritzbrennkraftmaschine besonderer Bauart, welche nicht nur bei Vollast eine ähnlich gute Durchmischung wie beim Vergasermotor erzielt, sondern auch im Teillastgebiet ein zündwilliges Gemisch wirtschaftlich verbrennt.The invention relates to an internal combustion engine in particular Design, which not only mixes as well as the carburettor engine at full load achieved, but also an ignitable mixture economically in the partial load area burns.

Die Erfindung geht davon aus, daß bei Brennkraftmaschinen mit innerer Gemischbildung Brennstoff in einen Strömungsquerschnitt eingespritzt werden soll, durch den die gesamte Verbrennungsluft strömt und der gerade gegen Ende des Verdichtungshubes eine besonders hohe Strömungsgeschwindigkeit aufweist. Um dies zu erreichen, wird eine bekannte Wirbelkammer mit tangential einmündendem Überströmkanal angewendet, wobei der Brennstoff der Verbrennungsluft während des Verdichtungshubes allmählich beigemischt und das Brennstoff-Luft-Gemisch auf eine unterhalb seiner Zündtemperatur liegende Höhe verdichtet wird. Dies alles ist bekannt.The invention assumes that in internal combustion engines with internal Mixture formation fuel is to be injected into a flow cross-section, through which all of the combustion air flows and which is just towards the end of the compression stroke has a particularly high flow velocity. To do this, will a known vortex chamber with a tangential overflow channel used, the fuel of the combustion air gradually increasing during the compression stroke mixed in and the fuel-air mixture to a temperature below its ignition temperature lying height is compressed. All of this is known.

Das Neue besteht darin; daß der Brennstoff in an sich bekannter Weise vor seiner Einspritzung erwärmt wird und seine Einspritzung unmittelbar an der Übertrittsöffnung zur Wirbelkammer quer zu der in die Wirbelkammer einströmenden Luft erfolgt, wobei sich der Kolbenboden so weit wie möglich dem Zylinderkopf nähert und die Wirbelkammer so weit seitlich versetzt ist, daß die Luft etwa senkrecht zur Zylinderachse in die Wirbelkammer einströmt.The new consists in this; that the fuel in a known manner is heated before its injection and its injection directly at the transfer opening to the vortex chamber takes place transversely to the air flowing into the vortex chamber, wherein the piston crown comes as close as possible to the cylinder head and the swirl chamber is offset to the side that the air is approximately perpendicular to the cylinder axis in the vortex chamber flows in.

Indem man den Kolben so nahe wie möglich, also jedenfalls auf weniger als Dichtungsstärke oder unter 1 fl/o des Kalben-,veges an den Zylinderkopf annähert, wird die gesamte Verbrennungsluft, und zwar gegen Ende des Hubes mit großer Geschwindigkeit, an der Einspritzdüse vorbei in die Wirbelkammer geleitet. Die hohe Strömungsenergie gewährleistet eine gute Durchmischung in der Wirbelkammer. Die zuletzt eingespritzten Brennstoffteile werden von einem scharfen Luftstrahl erfaßt, so daß die Durchmischung trotz der für diese Brennstoffteile besonders kurzen Zeit bis zur Zündung zu einem zündbereiten Gemisch führt. Dieser scharfe Luftstrahl entsteht kurz vor dem Totpunkt durch den auf der Verdrängerwirkung des Kolbens beruhenden Druck, der in dem schräg gestellten Überströmquerschnitt in Geschwindigkeit umgesetzt wird. Der Luftstrahl umgibt den langen, eingespritzten Brennstoffaden zunächst wie ein Schlauch und wirbelt ihn dann im weiteren Verlauf wirksam durch.By getting the piston as close as possible, so at least to less as gasket thickness or less than 1 fl / o of the calve, approximates the cylinder head, the entire combustion air, towards the end of the stroke at high speed, passed the injection nozzle into the swirl chamber. The high flow energy ensures good mixing in the vortex chamber. The last injected Fuel parts are caught by a sharp jet of air, so that the mixing despite the particularly short time to ignition for these fuel parts ignitable mixture leads. This sharp air jet is created shortly before the dead center by the pressure based on the displacement effect of the piston, which is in the oblique provided overflow cross-section is converted into speed. The air jet initially surrounds the long, injected fuel thread like a hose and swirls then effectively through it in the further course.

Die Lage und Ausbildung der Wirbelkammer sind so gewählt, daß sich der Gemischwirbel ungehindert ausbilden kann und daß umgekehrt nach der Zündung die Feuergase sich möglichst ungehindert über den Kolbenboden ausbreiten können.The location and design of the vortex chamber are chosen so that the mixture vortex can develop unhindered and vice versa after the ignition the fire gases can spread as freely as possible over the piston crown.

Die neue Einspritzbrennkraftmasch,ine arbeitet in allen Lastbereichen mit bemerkenswert geringem Brennstoffverbrauch und ist unempfindlich gegen Brennstoffänderungen. Sie kann nicht nur mit Benzin und ähnlichen leichtflüchtigen Brennstoffen, sondern ebenso mit Dieselkraftstoff und sogar mit leichtem Braunkohlenteeröl betrieben werden.The new internal combustion engine works in all load ranges with remarkably low fuel consumption and is insensitive to fuel changes. You can use not only gasoline and similar volatile fuels, but can also be operated with diesel fuel and even with light brown coal tar oil.

Bei der neuen Maschine ist jedes Mischungsverhältnis zündwillig, so daß die Luftregelung entfallen kann. Die Maschine saugt also dauernd die volle Luftmenge an, die Kompressionshöhe bleibt bei jeder Belastung erhalten. Sie kann höher getrieben werden als bei den üblichen Benzin-Ottomotoren, weil der erhitzte, bereits vor und in der Düse zu einem gewissen Grade aufbereitete Brennstoff nicht so stark zur Selbstzündung neigt wie im Vergaser zerstäubte kalte Brennstoffe.With the new machine, every mixing ratio is ignitable, so that the air control can be omitted. The machine is therefore constantly sucking in the full amount of air on, the compression height is maintained with every load. She can be pushed higher are than with the usual petrol engines, because the heated, already before and fuel in the nozzle is not so strongly conditioned to auto-ignite to a certain extent tends to be like cold fuel atomized in the carburetor.

Es sind Einspritzmotoren mit einer im Zylinderkopf angeordneten und mit tangential einmündendem überströmkanal versehener Wirbelkammer als sogenannte Hesselmannmotoren bekannt. Bei ihnen richtet die Einspritzdüse den Brennstoffstrahl in die Wirbelkammer, wobei der Brennstoff während der Verdichtung über einen kurzen Kurbelwinkel der Luft beigemischt und das Brennstoff-Luft-Gemisch auf eine unterhalb seiner Zündtemperatur liegende Höhe verdichtet wird. Da kalter Brennstoff eingespritzt wird und da der Kolben bei diesen Motoren im oberen Totpunkt mehrere Millimeter vom Zylinderkopf entfernt bleibt und der Luftwirbel infolgedessen nicht so hohe Energie aufweist, lassen sich mit den bekannten Motoren nicht die günstigen Ergebnisse wie bei der neuen Maschine erreichen.They are injection engines with one arranged in the cylinder head and vortex chamber provided with a tangential overflow channel as a so-called Hesselmann engines known. With them, the injection nozzle directs the fuel jet into the swirl chamber, with the fuel over a short period during compression Crank angle mixed with the air and the fuel-air mixture on a below its ignition temperature lying height is compressed. Because cold fuel is injected and because the piston in these engines is several millimeters at top dead center remains away from the cylinder head and consequently the air vortex is not so height With the known motors, the favorable results cannot be achieved as with the new machine.

Bei einer anderen Einspritzbrennkraftmaschine mit Wirbelkammer und tangentialem Eintritt in diese soll zwar der kugelkalottenförmige Kalbenboden so nahe wie möglich an den Zylinderkopf geführt werden, der Überströmkanal zur Wirbelkammer hat aber einen verhältnismäßig großen Inhalt, so daß ein beträchtlicher Teil der Luft unvermischt in diesem Kanal verbleibt, zumal der Brennstoff axial in die senkrecht stehende zylindrische Wirbelkammer eingespritzt wird.In another injection internal combustion engine with a swirl chamber and tangential entry into this should be the spherical cap-shaped calf bottom as close as possible to the cylinder head, the transfer channel to the swirl chamber but has a relatively large content, so that a considerable part of the Air remains unmixed in this channel, especially since the fuel axially enters the vertical standing cylindrical vortex chamber is injected.

Ähnliches gilt auch von einer weiteren bekannten Einspritzbrennkraftmaschine mit einer im Zylinderkopf über dem Kolben liegenden Wirbelkammer, bei welchem in die Kammer eingespritzt wird und der mit einem Aufsatz versehene Kolbenboden in der oberen Totpunktstellung einen erheblichen Luftraum beläßt, in dem sich im Augenblick der Zündung durch eine Glühstelle nur Luft, aber kein zündfähiges Gemisch befindet.The same also applies to a further known internal combustion engine with a swirl chamber in the cylinder head above the piston, in which in the chamber is injected and the piston head provided with an attachment in the top dead center position leaves a considerable amount of air space in which at the moment ignition by a glow point there is only air, but no ignitable mixture.

Allen diesen und anderen bekannten Bauarten von Einspritzbrennkraftmaschinen mit Wirbelkammern oder auch mit einer Vorkammer und einer Wirbelkammer bietet die neue Bauart den Vorteil, daß im Vollastgebiet mit ähnlich geringem Luftüberschuß gearbeitet werden kann wie beim Vergasermotor, also mit einer Luftüberschußzahl gleich oder nahezu gleich Eins.All of these and other known types of fuel injection engines with vortex chambers or with an antechamber and a vortex chamber offers the new design has the advantage that in the full load area with a similarly low excess of air work can be carried out as with the carburettor engine, i.e. with an excess air ratio equal to or almost equal to one.

Der heiß eingespritzte Brennstoff neigt um so weniger zur Selbstzündung, je heißer er ist. Deshalb kann die Kompression auch bei Leichtbrennstoffen, z. B. Benzin, erhöht werden, so daß schließlich ein Verbrennungsverlauf ähnlich demjenigen im Dieselmotor entsteht. Verdichtungsverhältnisse von 1:16 oder 1 : 17 sind möglich, wobei man dann sogar ohne Fremdzündung auskommen kann. Der Motor arbeitet sowohl im Vollastgebiet wie im Teillastgebiet wirtschaftlich.The hot injected fuel is less prone to self-ignition, the hotter it is. Therefore, the compression can also be used with light fuels, e.g. B. Gasoline, so that ultimately a combustion process similar to that arises in the diesel engine. Compression ratios of 1:16 or 1: 17 are possible, whereby you can even do without external ignition. The engine works both Economical in the full load area as well as in the partial load area.

Auch in der Ausbildung der Wirbelkammer selbst, in der Anordnung der Einspritzdüse in der Kammer und in weiterer Beziehung unterscheidet sich die neue Maschine von den bekannten Bauarten, wie an Hand der Zeichnung näher erläutert wird. In dieser zeigt Abb. 1 ein Schema des Verbrennungsraumes mit einer seitlich oberhalb im Zylinderkopf angeordneten Wirbelkammer; Abb. 2 gibt ein Geschwindigkeitsdiagramm wieder; Abb.3 zeigt eine Wirbelkammer, die unmittelbar in den Zylinderraum übergeht; Abb.4 stellt ein Schema mit in den Kolbenboden einragender stehender Wirbelkammer dar; Abb. 5 zeigt einen Grundriß dazu.Also in the formation of the vortex chamber itself, in the arrangement of the Injection nozzle in the chamber and in other respects differs from the new one Machine of the known types, as will be explained in more detail with reference to the drawing. In this Fig. 1 shows a diagram of the combustion chamber with one on the side above swirl chamber arranged in the cylinder head; Fig. 2 gives a speed diagram again; Fig.3 shows a vortex chamber that merges directly into the cylinder space; Fig. 4 shows a scheme with a standing vortex chamber protruding into the piston crown dar; Fig. 5 shows a plan of this.

In allen Abbildungen ist mit 1 der Kolben bezeichnet, welcher die Luft im Kompressionshub durch den Überströmquerschnitt 2 in die Wirbelkammer 3 einströmen läßt.In all figures, the piston is designated with 1, which the Air flows in the compression stroke through the overflow cross section 2 into the swirl chamber 3 leaves.

In die Wirbelkammer ragt die Einspritzvorrichtung 4 ein, welche eine der üblichen, gesteuerten Einspritzdüsen, jedoch mit Vorwärmung des Brennstoffes, sein kann. Da die Einspritzvorrichtung in die Wirbelkammer einragt, wird sie von den Verbrennungsgasen immer wieder aufgeheizt, so daß der Brennstoff in stark vorgewärmtem Zustand eingespritzt wird.In the swirl chamber, the injection device 4 protrudes, which a the usual, controlled injection nozzles, but with preheating of the fuel, can be. Since the injector protrudes into the swirl chamber, it is of the combustion gases are heated again and again, so that the fuel is strongly preheated State is injected.

Der heiße Brennstoff hat nicht die gleiche Durchschlagskraft wie kalter Brennstoff, er wird vielmehr von der mit hoherGeschwindigkeit vorbeistreichenden und daher mit erheblichem Energiegehalt versehenen Luft sofort mitgerissen und danach unter intensiver Durchwirbelung fein verteilt, so daß ein zündwilliges Gemisch entsteht.The hot fuel does not have the same penetrating power as the cold one Rather, it is fueled by the one passing at high speed and therefore air with a considerable energy content is immediately entrained and afterwards finely distributed with intensive whirling, so that an ignitable mixture is created.

Die Zündung erfolgt bei den Ausführungsbeispielen nach den Abb. 3 und 4 durch eine Glühspirale 7 beim Start, nach Abb. 1 durch eine Zündkerze 5 wie beim Vergasermotor. Während bei den Ausführungsbeispielen nach den Abb. 1 und 3 ein einfacher Flachkolben verwendet ist, wird bei der Ausführung nach Abb. 4 ein Kolben mit Ringkanal 6 und einer der Wirbelkammer entsprechenden Vertiefung 8 vorgesehen.The ignition takes place in the exemplary embodiments according to Fig. 3 and 4 by a glow spiral 7 when starting, according to Fig. 1 by a spark plug 5 as with the carburettor engine. While in the embodiments according to Figs. 1 and 3 a simple flat-bottomed flask is used, a Piston with an annular channel 6 and a recess 8 corresponding to the swirl chamber is provided.

Der Kolben geht beispielsweise bis auf etwa 0,3 mm an den Zylinderkopf heran. Der Abstand soll weniger als 1% des Kolbenweges betragen. Damit entsteht am Hubende eine ungewöhnlich hohe Überströmgeschwindigkeit zur Wirbelkammer hin, deren Verlauf aus Abb. 2 ersichtlich ist.For example, the piston goes up to about 0.3 mm on the cylinder head approach. The distance should be less than 1% of the piston travel. This creates at the end of the stroke an unusually high overflow velocity towards the vortex chamber, the course of which can be seen in Fig. 2.

Im Diagramm sind die Kolbengeschwindigkeit c, die Luftgeschwindigkeit im Saugventil c, und die Luftüberströmgeschwindigkeit ck zur Wirbelkammer sowie die mittlere Geschwindigkeit cm aus c, eingetragen. Das Diagramm zeigt, daß die Geschwindigkeit und damit auch die Strömungsenergie der Luft und des Gemisches kurz nach dem oberen Totpunkt stark ansteigt und z. B. größer ist als die Geschwindigkeit im Saugventil. Sie kann ohne weiteres zwei- bis dreimal so groß wie die mittlere Geschwindigkeit gemacht werden. Diese Wirkung läßt sich dadurch erreichen, daß der Kolben bis auf Bruchteile eines Millimeters an den Zylinderkopf herantritt und die Wirbelkammer am Rand und nicht in der Zylindermitte sitzt.In the diagram, the piston speed c is the air speed in the suction valve c, and the air overflow speed ck to the vortex chamber as well the mean speed cm from c is entered. The diagram shows that the Speed and thus also the flow energy of the air and the mixture in short increases sharply after top dead center and z. B. is greater than the speed in the suction valve. It can easily be two to three times the size of the middle one Speed can be made. This effect can be achieved by the Piston comes within a fraction of a millimeter from the cylinder head and the The vortex chamber sits on the edge and not in the middle of the cylinder.

Strömungsquerschnitt und Geschwindigkeit sind im Gegensatz zu bekannten Ausführungen mit Ausnutzung der Saugventilströmung weitgehend wählbar.Flow cross-section and speed are in contrast to known Versions that utilize the suction valve flow can be largely selected.

Besonders günstig ist auch die Gestaltung des Überströmquerschnittes bei der Maschine nach der Erfindung. Um einen scharfen Luftstrahl am Ende des Kompressionshubes zu erreichen, ist ein enger Querschnitt erwünscht. Der möglichst drosselfreie Austritt erfordert einen möglichst großen Querschnitt. Beim Durchblasen des Luftstromes senkrecht zur Zylinderachse am Ende des Kompressionshubes bietet der Kanal 2 einen engen elliptischen Querschnitt, so daß sich die hohe Geschwindigkeit ausbilden kann. Andererseits steht der große Übergangsquerschnitt beim Austritt der Gase zur Verfügung.The design of the overflow cross-section is also particularly favorable in the machine according to the invention. Around a sharp jet of air at the end of the compression stroke To achieve this, a narrow cross-section is desirable. The most possible throttle-free outlet requires the largest possible cross-section. When blowing through the air stream vertically Channel 2 has a narrow elliptical shape to the cylinder axis at the end of the compression stroke Cross-section, so that the high speed can develop. On the other hand stands the large transition cross-section is available when the gases exit.

Auch diese Gestaltung trägt zu der Bildung des zündwilligen Gemisches, der weitgehenden Verbrennung, der Unempfindlichkeit der Maschine gegen Brennstoffänderungen und zur Wirtschaftlichkeit des Motors bei.This design also contributes to the formation of the ignitable mixture, the extensive combustion, the insensitivity of the machine to changes in fuel and contribute to the economy of the engine.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Injection engine with one in the cylinder head arranged vortex chamber, the overflow channel opens tangentially into this and which contains the injector and an ignition device, wherein the fuel gradually added to the combustion air during the compression stroke and that The fuel-air mixture is compressed to a level below its ignition temperature is, characterized in that the fuel in a known manner before its injection is heated and also the injection of the fuel immediately at the transfer opening to the vortex chamber transversely to the one flowing into the vortex chamber Air takes place with the piston crown approaching the cylinder head as close as possible and the swirl chamber is offset to the side that the air flows into the swirl chamber approximately perpendicular to the cylinder axis. 2. Injection engine according to claim 1, characterized in that with a constant amount of air only the amount of fuel injected is regulated, the fuel being both is injected over the same crank angle at full load as well as at part load. 3. Injection internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the Swirl chamber arranged on the edge of the cylinder head and the jet of the injection nozzle from at the top is directed approximately towards the edge of the piston (Fig. 1 and 3). 4. Injection engine according to claims 1 and 3, characterized in that the front part of the injection device protrudes into the vortex chamber or the transition cross-section to this. 5. Injection engine according to claim 1, characterized in that the vortex chamber has a cylindrical parallel axis is designed to the combustion cylinder, in an opening of the piston head in the upper Dead center protrudes and provided with a horizontally lying tangential confluence is. Considered publications: German patent specifications No. 624 323, 562 724, 646 119, 874 526; Swiss patent specification No. 154 610.