DE1057816B

DE1057816B - Viertakt-Einspritzbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE1057816B
Application number: DED23773A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Erwin Eisele
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1956-09-08
Filing date: 1956-09-08
Publication date: 1959-05-21

Description

Viertakt-Einspritzbrennkraftmaschine Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung und weitere Ausgestaltung von Viertakt-Brennkraftmaschinen mit hängenden Ventilen und einer länglichen, im wesentlichen in Längsrichtung des Kolbens in diesen hinein sich erstreckenden zentralen Brennkammer mit einem rotationskörperförmigen Querschnitt, die bei oberer Kolbentotpunktlage vor die auf der den Ventilen gegenüberliegenden Zylinderquerschnittshälfte angeordneten Mündung einer schräg im Zylinderkopf vorgesehenen Einspritzdüse zu liegen kommt, wobei die Mitte der drosselwirkungslosen oder -armen Brennkammeröffnung etwa an der Durchtrittsstelle der Brennkammerachse mit dem Kolbenboden liegt.
Die Erfindung besteht darin, daß die Düsenmündung uin annähernd den gleichen Betrag aus der Zylindermitte heraus versetzt ist, wie eine durch die Ventilmitten bestimmte Ebene von der Zylindermitte entfernt liegt, außerdem die Brennkammer so weit gegen die Einspritzdüse zu geneigt ist, daß die Brennkammerachse im wesentlichen in der Mitte zwischen der Düsenachse und der Zylinderachse hindurchgeht, und daß ferner in an sich bekannter Weise der Brennstoff entweder in einem breiten Strahlkegel oder in mehreren kompakten Einzelstrahlen derart in die Brennkammer und in einen dort gleichzeitig durch Maßnahmen am Lufteinlaßventil eingeleiteten und um die Brennkammerachse kreisenden Horizontalwirbel eingespritzt wird, daß der Brennstoff etwa in mittlerer Höhe der Brennkammer unter einem Winkel von weniger als 65° auf die Brennkammerwand auftrifft.
Bei den eingangs erwähnten zum Stand der Technik gehörigen Brennkraftmaschinen verzichtet man auf den wirksamen Horizontalwirbel. Man begnügt sich mit einem sogenannten Ouetschwirbel, der durch eine exzentrische Anordnung der Öffnung der Brennkammer im Kolben und dadurch zustande kommt, daß die Luft aus dem Raum über den Kolben aus diesem verdrängt wird, sobald sich der Kolben seiner oberen Totpunktlage nähert. Da diese Verdrängung erst im letzten Augenblick vor der Umkehr der Kolbenbewegung auftritt und die noch zu verdrängende Luftmenge verhältnismäßig gering ist, ist ein solcher Quetschwirbel dementsprechend schwach und nur von kurzer Dauer. Außerdem kreist ein solcher Wirbel nicht horizontal innerhalb der Brennkammer um deren Achse, sondern vertikal. Außerdem haben die bekannten Maschinen dieser Bauart vielfach eine unerwünscht starke Drosselwirkung an der Brennkammeröffnung, und der Kraftstoff wird in einem schlanken Strahlkegel feinstzerstäubter Brennstofftröpfchen bis zum Grund der Brennkammer gespritzt.
Es sind zwar auch Brennkraftmaschinen ähnlicher Bauart bekannt, die mit einem Horizontalwirbel in der Brennkammer arbeiten. Aber auch bei diesen Maschinen besteht eine starke Drosselwirkung an der Brennkarnmeröffnung mit der Folge eines erhöhten Brennstoffverbrauchs. Insbesondere wird dort der Brennstoff in einen Bereich der Brennkammer eingespritzt, in welchem die Wirbelbewegung verhältnismäßig schwach ist. Der Vorteil einer in die Tiefe des Kolbens sich erstreckenden Brennkammer wurde nicht erkannt. Insbesondere bleibt unberücksichtigt, daß die verbrannten Gase die Neigung haben, sich am Grund der Brennkammer zu sammeln.
Es sind weiterhin Brennkraftmaschinen mit schräg im Zylinderkopf angeordneter Brennstoff-Einspritzdüse und zentral im Kolben liegender Brennkammer bekannt. Man verzichtet bei diesen Maschinen jedoch wiederum auf den Horizontalwirbel. Außerdem besteht der Nachteil eines erzwungenen Richtungswechsels der aus der Brennkammer ausblasenden Gase, und vorhandene scharfe Randkanten an der mit erhöhter Drosselwirkung arbeitenden Überströmöffnung begünstigen eine unerwünschte Glühzündung. Außerdem haben die bekannten Maschinen eine kugelige Brennkammer mit einer gegenüber dem Erfindungsgegenstand geringen Tiefenwirkung.
Schließlich sind Brennkraftmaschinen bekannt, bei denen zwar ein Horizontalwirbel auftritt und man bestrebt ist, die Brennkammeröffnung möglichst zentral anzuordnen. Die Brennstoffeinspritzung erfolgt jedoch durch die schrägliegende Einspritzdüse unmittelbar am Rand der Brennkammeröffnung mit kurzer Strahllänge gegen die Wand des kugeligen Brennraumes. Demgegenüber erfolgt beim Erfindungsgegenstand die Brennstoffeinspritzung mit wesentlich längeren Strahlen mit einer besseren Brennstoffverteilung über den Brennkammerumfang. Insbesondere zeigt der Erfindungsgegenstand ein besseres Startverhalten, weil bei den bekannten Maschinen der Brenn- Stoffilm in der kalten Brennkammerwand sich nur -schwer auflöst.
In der Zeichnung ist die Erfindung in mehreren Ausführungsbeispielen dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 einen Aufriß eines Brennkraftmaschinenkolbens mit darüber angeordnetem Einlaßkanal, Einlaßventil und davorliegender Einspritzdüse sowie mit einem Brennraum im K=olben in Gestalt eines schrägliegenden und vom Kolbenboden schräg angeschnittenen Kegels, wobei vom Boden dieses Kegels ein zentraler -'erdrängerkegel aufragt, Fig. 2 einen Grundriß der Anordnung nach Fig. 1, Fig. 3 eine Anordnung ähnlich derjenigen nach den Fig. 1 und 2 mit einer über der Hauptkegelform des Brennraumes angeordneten Kegelstumpfform, Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen mit einem eiförmigen Brennraum versehenen Kolben, Fig. 5 und 6 Aufriß und Grundriß einer Anordnung mit einem Brennraum ini Kolben, dessen Querschnittsform aus einem vom Kolbenboden schräg angeschnittenen Kegelstumpf, einem sich darunter anschließenden kurzen zylindrischen Abschnitt und einem an diesen sich anschließenden halbkugeligen oder langrunden Abschnitt zusammengesetzt ist.
Wie die Zeichnungen zeigen, sind über dem Arbeitskolben 1 der Brennkraftmaschine in deren Zylinderkopf das Einlaßventil2 und das Auslaßventil3 vorgesehen. Das Einlaßventil2 ist in bekannter Weise größer gehalten als das Auslaßventil 3. Außerdem ist das Einlaßventil mit einem Luftablenkschirm 4 versehen, welcher der in den Zylinderraum eintretenden Verbrennungsluft einen scharfen Drall in der Pfeilrichtung a. von Fig. 2 und 6 verleiht.. Der Ablenkschirni 4 ist so auf seinem zugehörigen Ventil angeordnet, daß er auf die gleiche Seite des Zylinderquerschnittes zu liegen kommt, auf der auch die Ventilschäfte liegen. Die Folge dieser Anordnung ist, daß ein durch dieses 'Ventil eintretender Luftstrom durch den Ablenkschirm, vor allem in Pfeilrichtung b, der Überströtnöffnung 5 des im Kolben angeordneten Brennraumes zu abgelenkt wird.
Auf der den N"entilen abgewandten Seite des Zylinderquerschnittes ist im Zylinderkopf, und zwar in einer durch den Mittelpunkt M der Überströmöffnung 5 des Brennraumes gehenden und im übrigen zwischen den Ventilen hindurchgehenden Ebene E-E (Fig. 2 und 6) die Bremistoffeinspritzdüse 6 schräg zur Zylinderachse angeordnet. Soweit sind die Ausführungsformen aller vier Ausführungsbeispiele gleich. Es gleichen sich diese außerdem noch insofern, als die Brennraumquersclinitte in Richtung der verlängert zu denkenden Einspritzdüsenachse D zunächst zu- und dann wieder abnehmen, eine längliche Form haben und die Brennrauinlängsachse B zwischen die Einspritzdüsenachse D und Zylinderachse Z zu liegen kommt. Außerdem ist bei allen Ausführungsbeispielen die Anordnung so getroffen, daß die Kraftstoffstrahlen etwa in der Mitte der größten Längsausdehnung des Brennraumes auf dessen Wand auftreffen und der Auftreffwinkel u kleiner ist als 65° (Fig. 1, 3, 4 und 5). Beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 hat der Brennraum die Gestalt eines vom Kolbenboden schräg angeschnittenen Kegels 7 mit einem von dessen Boden aufragenden Verdrängerkegel 7a.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 lediglich dadurch, daß der Hauptkegelform 7 des Brennraumes noch ein die Überströmöffnung 5 begrenzender Kegelstumpf 7 b vorgeordnet ist. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 hat der Brennraum eine vom Kolbenboden angeschnittene, schräg gestellte Eiform 8, die beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 in einen unteren, kugeligen Grundabschnitt 9, einen oberen, kurzen zylindrischen Abschnitt 9a und eine sich daran anschließende Kegelstumpfform 9 b aufgeteilt ist. Der Kegelwinkel (Fig. 5) kann bis zu 90° betragen.
Alle geschilderten Ausführungsbeispiele haben erfindungsgemäß das Merkmal gemeinsam, daß durch die gewählten Querschnittsformen des Brennraumes und die Schräglage der Brennraumachse B zwischen der Düsenachse D und Zylinderachse Z die Wände des Brennraumes ohne wesentliche Drosselwirkung derart verlaufen, daß die Überströmöffnung 5, trotz der seitlich versetzten Anordnung des Brennraumes, dennoch angenähert in die Mitte des Kolbenbodens zu liegen kommt.
Die getroffenen Anordnungen ermöglichen es, für die Kraftstoffstrahlen, z. B. deren vier, S1, S2, S3, S4, einen verhältnismäßig großen Einspritzweg und etwa gleich große Strahllängen zu erhalten. Durch die angenähert erreichte Mittellage der Überströmöffnung 5 wird der durch den Ablenkschirm 4 eingeleitete Drall der Aufladeluft als Horizontaldrall in den Brennraum weitergeleitet und dort weitgehend aufrechterhalten. Der gegenüber dem bekannten kugeligen Brennraum längere und querschnittsmäßig engere Brennraum nach der Erfindung ergibt eine höhere Umfangsgeschwindigkeit der Luft in der Brennraumwandnähe. Durch die über einen größeren Einspritzweg mit der kreisenden Luft in Berührung gelangenden Kraftstoffstrahlen ergeben sich gute Gemischaufbereitungsverhältnisse. Diese werden noch dadurch begünstigt, daß die Luft im Brennraum um die verlängert zu denkende Düsenachse D kreist. Das sinngemäße Zusammenwirken aller Kombinationsmerkmale der Erfindung gewährleistet vor allem ein gutes Startverhalten. Die, wenn auch geringe, aber immerhin vorhandene Brennraumeinschnürung nahe der Überströmöffnung ergibt im Bereich des oberen Kolbentotpunktes eine scharfe Luftquerströmung, wodurch eine zu frühzeitige Wandberührung des Kraftstoffes verhindert wird. Dies trägt ebenfalls zur Schaffung günstiger Startbedingungen bei. Durch die Wahl des Strahlauftreffwinkels auf die Brennraumwand von weniger als 65° wird ebenfalls eine zu frühzeitige Wandberührung des eingespritzten Kraftstoffes vermieden. Es wird der Kraftstoff schon von der Düsenmündung ab, zumindest im Bereich des Strahlmantels, rasch in Dampfform übergeführt, schnell aufbereitet und mit kurzem Zündverzug verbrannt, was auch einen geräuscharmen Lauf der Brennkraftmaschine zur Folge hat. Durch den raschen Übergang des flüssigen Kraftstoffes in die Dampfform wird außerdem einer starken Peroxydbildung und damit einem Kraftstoffzerfall bis zur Rußbildung entgegengewirkt.
Der Ablenkschirm kann im Rahmen der Erfindung auch durch einen mit Ablenkflächen versehenen Einsatz am Lufteinlaßkanal unmittelbar vor dem Ventilsitz ersetzt werden. Außerdem kann man die Drallwirkung durch eine entsprechende Krümmung und Formgebung des Einlaßkanals erzeugen. Auch kann die rasche Verdampfung des Brenstoffes in an sich bekannter Weise durch die Wahl eines höheren Verdichtungsverhältnisses sowie durch Kraftstoffv orwärmung und durch eine besondere Temperaturhaltung der Brennkammerwände gefördert werden. Schließlich kann man den Kraftstoff auch in Form eines geschlossenen relativ breiten Kegels einspritzen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Viertakt-Einspritzbrennkraftmaschine mit hängenden Ventilen und einer länglichen im wesentlichen in Längsrichtung des Kolbens in diesen hinein sich erstreckenden zentralen Brennkammer mit einem rotationskörperförmigen Querschnitt, die bei oberer Kolbentotpunktlage vor die auf der den Ventilen gegenüberliegenden Zylinderquerschnittshälfte angeordneten Mündung einer schräg im Zylinderkopf vorgesehenen Einspritzdüse zu liegen kommt, wobei die Mitte der drosselwirkungslosen oder -armen Brennkammeröffnung etwa an der Durchtrittsstelle der Brennkammerachse mit dem Kolbenboden liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenmündung um annähernd den gleichen Betrag aus der Zylindermitte heraus versetzt ist, wie eine durch die Ventilmitten bestimmte Ebene von der Zylindermitte entfernt liegt, außerdem die Brennkammer so weit gegen die Einspritzdüse zu geneigt ist, daß die Brennkammerachse im wesentlichen in der Mitte zwischen der Düsenachse und der Zylinderachse hindurchgeht, und daß ferner in an sich bekannter Weise der Brennstoff entweder in einem breiten Strahlkegel oder in mehreren kompakten Einzelstrahlen derart in die Brennkammer und in einen dort gleichzeitig durch Maßnahmen am Lufteinlaßv entil eingeleiteten und um die Brennkammerachse kreisenden Horizontalwirbel eingespritzt wird, daß der Brennstoff etwa in mittlerer Höhe der Brennkammer unter einem Winkel von weniger als 65° auf die Brennkammerwand auftrifft. z. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum im Kolben durch eine aus einem Kegel oder aus zwei kegelförmigen Ausnehmungen (7, 7b) gebildet wird, von deren Boden ein an sich bekannter zentraler Verdrängerkegel (7a) aufragt (Fig. 1 und 3). 3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum im Kolben in an sich bekannter Weise einen eiförmigen Querschnitt (8) hat (Fig. 4). 4. - Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum durch einen halbkugeligen oder langrunden Bodenabschnitt (9) abgeschlossen ist, an den sich unterhalb der Überströmöffnung (5) ein kurzer zylindrischer Abschnitt (9a) und daran ein kegelstumpfförmiger Abschnitt (9 b) anschließt (Fig. 5). 5. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine an sich bekannte Vierstrahldüse, welche den Kraftstoff mit um 90° zueinander versetzten Strahlen derart einspritzt, daß zwei Strahlen innerhalb der durch die Düsenachse (D) und Brennraumachse (B) bestimmten Ebene (E-E) zu liegen kommen. 6. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßventilöffnung und die überströmöffnung (5) der Brennkammer sich um einen geringen Betrag überschneiden und das Ende des am Einlaßventil angeordneten Ablenkschirmes gerade vor dieser Überschneidung liegt. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 864 475, 696 077, 865 683, 852 622; deutsche Auslegeschrift M 18583 Ia/46a2 (bekanntgemacht am 23. 2. 1956).