DE1057818B

DE1057818B - Brennkraftmaschine mit einer Brennkammer

Info

Publication number: DE1057818B
Application number: DED19972A
Authority: DE
Inventors: Eugen Stump
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1955-03-08
Filing date: 1955-03-08
Publication date: 1959-05-21

Description

Brennkraftmaschine mit einer Brennkammer Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit einer im wesentlichen als Rotationskörper ausgebildeten, vorzugsweise im Kolben angeordneten Brennkammer, in der die Luftladung, z. B. durch eine tangentiale Verbindung zwischen Brennkammer und Zylinderraum und bzw. oder durch einseitige Abschirmung der Einlaßventile, in Rotation versetzt wird und der Brennstoff in den in der Brennkammer kreisenden Luftstrom im Winkel zur Achse der Brennkammer gegen die Seiten"vandung des verengten Teiles der Brennkammer gespritzt wird.
Es sind Brennkraftmaschinen dieser Art bekannt, bei welchen die im Kolben angeordnete Brennkammer im wesentlichen kugelförmige Gestalt aufweist. Der Brennstoff wird hierbei durch eine im oberen Kolbentotpunkt in den Verbindungshals zwischen Brennkammer und Zylinderraum hineinragende Einspritzdüse seitlich gegen die obere Begrenzungswandung der kugelförmigen Brennkammer gespritzt. Der Brennstoff soll hierbei von der im Brennraum in Rotation versetzten Luftströmung in Dampfform von der Wandung der Brennkammer allmählich abgelöst werden, worauf er nach Mischung mit der Luft verbrennt. Wegen der Kugelform der Brennkammer besteht jedoch die Neigung, daß sich der Brennstoff infolge der Luftwirbel.ungen in der Äquatorzone der Brennraumwandung sammelt, dort die stärkste Brennstoffschicht erzeugt und sich nicht über die ganze Kugelfläche verteilt, so daß eine gewisse Brennstoffarmut, insbesondere in dem der Brennstoffdüse gegenüberliegenden, dem Kolbenboden benachbarten Raumteil der Brennkammer eintritt.
Die Erfindung bezweckt nun, diese Unvollkommenheit der Brennstoffverteilung in der Brennkammer zu vermeiden und besteht im wesentlichen darin, daß die Brennkammer in an sich bekannter Weise kegelstumpfförmige Gestalt aufweist, deren engere Endfläche, die den Verbindungsquerschnitt zum Zylinderraum bildet oder diesem Verbindungsquerschnitt benachbart ist, im Bereich der Einspritzdüse bzw. der Auftreffstelle des Brennstoffes auf die Seitenwandung der Brennkammer liegt. Die in die Brennkammer einströmende und sich in ihr schraubenförmig fortpflanzende Luftströmung wird infolgedessen den auf die Wandung des verengten Brennkammerteiles gespritzten Brennstoff mitnehmen und infolge der auf den Brennstoff wirkenden Fliehkraft bis in die dem Verbindungsquerschnitt zum Zylinderraum gegenüberliegende Zone des größten Durchmessers der kegelstumpfförmigen Brennkammer verteilen, so daß sich eine gleichmäßige Brennstoffschicht praktisch über die ganze Brennkammerwandung erzielen läßt. Die hierdurch weit auseinandergezogene Brennstoffschicht wird gleichzeitig einen hauchdünnen Film bilden, den der Luftstrom leicht und sicher von der Brennraumwand abschälen kann. Der Verbrennungsvorgang kann hierdurch wesentlich verbessert werden, da die Verbrennung um so weicher und vollständiger ist, je dünner die Brennstoffschicht auf der Brennkammerwandung verteilt wird.
Die Erfindung ist insbesondere für solche Brennkraftmaschinen von Bedeutung, bei denen die Brennkammer im Kolben und die Einspritzdüse im Zylinderkopf angeordnet ist, doch läßt sich die Erfindung auch auf Maschinen anwenden, bei denen eine andere Anordnung der Brennkammer und der Düse vorgesehen, beispielsweise die Brennkammer im Zylinderkopf angeordnet ist. Die Einspritzdüse kann sowohl zentrisch als auch exzentrisch zur Achse der Brennkammer liegen.
Brennkammern. mit kegelstumpfförmiger Gestalt sind an sich bekannt. Die Brennkammer erweitert sich hierbei jedoch in der Regel gegen den Zylinderraum zu, mit dem sie in offener Verbindung steht. Der Brennstoff wird hierbei im wesentlichen durch den kegelstumpfförmigen Brennraum hindurch in den Zylinderraum gespritzt.
Bei anderen Brennkraftmaschinen mit kegelstumpfförmiger Brennkammer, die sich nach der Düsenmündung zu verengt, befindet sich zwar die Einspritzdüse im oberen Totpunkt des Kolbens im verengten Verbindungsquerschnitt zwischen Zylinderraum und Brennkammer, doch wird der Brennstoff nicht gegen die seitliche Kammerwandung, sondern in den Luftraum der Brennkammer gespritzt. Auch fehlt eine rotierende Luftströmung, welche den Brennstoff gleichmäßig über die Brennkammer verteilt. Letzteres gilt auch für solche Maschinen, bei denen sich die Brennkammer gegen die der Überströmöffnung gegenüberliegende Einspritzdüse erweitert und der Brennstoff etwa senkrecht in Richtung auf die kegelstumpfförmige Wandung mit großem Durchmesser gespritzt wird.
Die Anordnung einer kegelstumpfförmigen Brennkammer im Kolben gegenüber einer kugelförmigen gleich großen Brennkammer hat des weiteren den Vorteil, daß der Abstand von Kolbenbolzenmitte bis Oberkante Kolben wesentlich kleiner gehalten werden kann, so daß auch der Motor eine geringere Höhe und ein kleineres Gewicht erhält.
Zur Erzielung günstiger Ergebnisse weist die Brennkammer eine solche Form auf, daß der Durchmesser an ihrem größten Umfange etwa der 11/2- bis 2fachen Höhe entspricht. Bei einer Brennkammer mit wesentlich größerem Durchmesser lassen sich die Wirkungen der Wandanspritzung nicht mehr mit genügender Sicherheit erreichen, während längere Brennkammern die gleichmäßige Brennstoffverteilung über die ganze Länge sowie gegebenenfalls die Unterbringung im Kolben erschweren.
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine erfindungsgemäß ausgebildete Maschine mit ungefähr in der Zylinderachse angeordneter Einspritzdüse, Fig. 2 eine Grundrißansicht auf den Kolben im Schnitt nach Linie 2-2 der Fig. 1, wobei die im Zylinderkopf angeordneten Ventile strichpunktiert angedeutet sind, Fig. 3 einen Axialschnitt durch eine Maschine mit exzentrisch zur Brennkammer angeordneter Düse, F ig. 4 eine Draufsicht auf den Kolben nach Fig. 3 mit strichpunktiert angedeuteten Ventilen, Fig. 5 und 6 weitere Ausführungsformen der Erfindung mit im Zylinderkopf angeordneten Brennkammern in schematischer Darstellung, Fig. 7 einen Schnitt nach Linie 7-7 der Fig. 6.
In Fig. 1 und 2 ist 10 der wassergekühlte Zylinderblock, 11 der ebenfalls wassergekühlte Zylinderkopf. Im Zylinder 12 gleitet der Kolben 13, welcher bei 14 durch einen Kolbenbolzen mit der zugeordneten Pleuelstange verbunden ist.
Im Zylinderkopf sind die Einlaßventile 15 und die Auslaßventile 16 hängend angeordnet, wobei die Einlaßventile 15 Abschirmungen 17 besitzen, welche der durch die Ventilquerschnitte eintretenden Luft eine Drallkomponente erteilen, so daß die im Zylinderraum befindliche Luft in Pfeilrichtung x um die Zylinderachse rotiert. Etwa zentral zwischen den vier Ventilen 15 und 16 ist die Einspritzdüse 18 angeordnet, wobei die Düsenmündung, welche z. B. durch eine einzige seitliche Düsenbohrung 19 gebildet wird, derart in den Zylinderraum hineinragt, daß sie im oberen Kolbentotpunkt etwa in Höhe des verbleibenden Spaltes 20 zwischen Kolbenboden und Zylinderkopf bzw. in Höhe der engsten Stelle 21 der im Kolbenboden angeordneten Brennkammer 22 liegt, welche sich von der Seite der Einspritzdüse nach dem axial entgegengesetzten Ende kegelförmig erweitert.
Der Brennstoff wird durch die Düsenbohrung 19 quer oder schräg in Richtung des Luftstromes in einem Strahl 23 gegen die Stelle a der Brennkammer gespritzt, so daß er die Brennkammerwandung schichtförmig bedeckt und von dem in Pfeilrichtung x rotierenden Luftstrom über größere Flächen der Brennkammerwandung verteilt wird. Infolge der kegelförmigen Erweiterung der Brennkammer und infolge des rotierenden Luftstromes wird der Brennstoff unter Zentrifugalwirkung, z. B. etwa spiralförmig, gegen die Wandungsteile der Brennkammer mit größtem Durchmesser getrieben, so daß bei geeigneter Abstimmung eine sehr gleichmäßige Verteilung des Brennstoffes auf die ganze Höhe der Brennkamer und damit eine weichere Verbrennung erzielbar ist. Die Achse des Kolbenbolzens 14 kann einen verhältnismäßig kleinen Abstand h von der Oberkante des Kolbens erhalten.
Um das Einströmen der rotierenden Luft in die Brennkammer zu erleichtern bzw. die Wirbelbewegung der Luft zu unterstützen, kann der Übergang aus dem Zylinder in die Brennkammer entsprechend geformt sein, wie z. B. bei 21' in Fig. 2 angedeutet ist.
Die Ausführungform nach Fig. 3 und 4 unterscheidet sich von der vorbeschriebenen Ausführungsform hauptsächlich dadurch, daß nur ein einziges Einlaßventil 15 mit Ablenkschirm 17 und ein einziges Auslaßventil 16 vorgesehen ist. Die Einspritzdüse 18 ist in diesem Falle axial und schräg zur Zylinderachse sowie zur Brennkammer 22 angeordnet. Der Brennstoff wird wieder in einen Strahl 23 gegen die Wandung .der Brennkammer 22 gespritzt, und zwar schräg zur Umdrehungsrichtung des durch den Ablenkschirm 17 im. Zylinder bzw. in der Brennkammer erzeugten Luftwirbels. Durch eine solche Einspritzung des Brennstoffes, welche vor allem infolge der exzentrischen Lage der Einspritzdüse ermöglicht wird und bei welcher der Brennstoff die Wandung unter einem flachen Winkel trifft, kann die Verteilung des Brennstoffes auf die Brennkammerwandung weiter unterstützt werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist die Einspritzdüse 18 an der Seitenwand des Zylinders 12 und die Brennkammer 22 im Zylinderkopf angeordnet, wobei der Brennstoff schräg von unten her gegen die Wandung der Brennkammer gespritzt wird.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 und 7 sind sowohl Einspritzdüse 18 als auch Brennkammer 22 im Zylinderkopf mit waagerechter Achse angeordnet, wobei die Brennkammer 22 mit dem Zylinderraum 20 durch einen Kanal 24 in Verbindung steht, der in die Brennkammer 22 an der Seite der Einspritzdüse tangential einmündet.
In allen Fällen wird die im Zylinderraum verdichtete und vom Kolben verdrängte Luft derart in die Brennkarner eingeführt, daß sie in diese mit Drallkomponente an der Seite der Einspritzdüse 18 eintritt und sich schraubenförmig nach dem erweiterten Teil der kegelförmigen Brennkammer fortpflanzt, wobei sie den die Brennkammerwandung in Form einer dünnen Schicht bedeckenden Brennstoff über die ganze Brennkammer verteilt.
Natürlich läßt sich .die Erfindung auch bei anderen Brennkammeranordnungen in ähnlicher Weise anwenden.
Auch ist die Erfindung nicht auf Motoren mit einer bestimmten Anzahl von Ventilen beschränkt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Brerrnkraftmaschine mit einer im wesentlichen als Rotationskörper ausgebildeten, vorzugsweise im Kolben angeordneten Brennkammer, in der die Luftladung, z. B. durch eine tangentiale Verbindung zwischen Brennkammer und Zylinderraum und bzw. oder durch einseitige Abschirmung der Einlaßventile, in Rotation versetzt wird und der Brennstoff in den in der Brennkammer kreisenden Luftstrom im Winkel zur Achse der Brennkammer gegen die Seitenwandung des verengten Teiles der Brennkammer gespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer in an sich bekannter Weise kegelstumpfförmige Gestalt aufweist, deren engere Endfläche, die den Verbindungsquerschnitt zum Zylinderraum bildet oder diesem Verbindungsquerschnitt benachbart ist, im Bereich der Einspritzdüse bzw. der Auftreffstelle des Brennstoffes auf die Seitenwandung der Brennkammer liegt. z. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer an ihrem größten. Umfang einen Durchmesser aufweist, der etwa der 11/z- bis 2fachen Höhe der Brennkammer entspricht. 3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff in an sich bekannter Weise in einem einzigen Strahl (23) gegen die Brennraumwandung quer oder schräg in Richtung des rotierenden Luftstromes eingespritzt wird. 4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse, wie an sich bekannt, zwischen vier im Zylinderkopf angeordneten Ventilen, zentrisch zur Brennkammer, insbesondere in der Zylinderachse, angeordnet ist. 5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse in an sich bekannter Weise neben zwei im Zylinderkopf angeordneten Ventilen, exzentrisch zum Zylinderumfang und schräg zur Achse der Brennkammer angeordnet ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 865 683; österreichische Patentschrift Nr. 168 786; schweizerische Patentschrift Nr. 226 532; britische Patentschrift Nr. 415 976.