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Einspritzbrennkraftmaschine Die Erfindung betrifft eine mit Selbstzündung
und Luftverdichtung arbeitende Einspritzbrennkraftmaschine, bei der im Zylinderkopf
eine Wirbelkammer vorgesehen ist, die mit dem Zylinderraum über einen Schußkanal
derart verbunden ist, daß in der Wirbelkammer ein geschlossener Wirbel durch die
einströmende Verbrennungsluft gebildet wird und in deren Innerem der Brennstoff
gleichsinnig zu der kreisenden Luftströmung tangential als dünner Film auf die Wand
aufgespritzt wird, deren Temperatur im Bereich der natürlichen Siedetemperatur des
Brennstoffes liegt.
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Eine Einspritzbrennkraftmaschine der vorstehend näher beschriebenen
Art ist bekannt. Bei ihr ist die Mündung der Einspritzdüse in die Wirbelkammer in
bezug auf die Mündung des Schußkanals in diese außerhalb des unmittelbaren Wirkungsbereiches
des hier einschießenden Luftstromes angeordnet. Bei einer Ausführungsform der bekannten
Maschine ist die Mündung der Einspritzdüse in die Wirbelkammer gegenüber der Mündung
des Schußkanals in diese seitlich versetzt. Bei einer anderen Ausführungsform liegt
die Mündung der Einspritzdüse in die Wirbelkammer der Mündung des Schußkanals in
die Wirbelkammer gegenüber, so daß die beiden Mündungen gegenseitig einen großen
Umfangsabstand haben.
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Die neue Erfindung ist ein Vorschlag, nach dem gegenüber dem Bekannten
in besserer Weise der Brennstoff vor seiner Ausbreitung an der Wirbelkammerwand
der heftigen Luftbewegung, wie sie durch den Schußkanal erzeugt wird, entzogen wird.
Insbesondere soll jedoch durch den erfindungsgemäßen Vorschlag erreicht werden,
die Wirbelkammermaschine mit herabgesetztem Verdichtungsverhältnis einwandfrei betreiben
zu können.
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Die Erfindung besteht darin, daß in an sich bekannter Weise der Teil
der Wand des Schußkanals, welcher der Mitte der Wirbelkammer abgewandt ist, als
Verlängerung gedacht, den Umfang der Wirbelkammer als Sehne schneidet, und die Brennstoffeinspritzdüse
in dem durch die Sehne abgetrennten Wandteil der Wirbelkammer nahe der Mündung des
Schußkanals in die Wirbelkammer angeordnet ist.
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Durch die Erfindung wird zunächst ebenfalls der große Vorteil erreicht,
daß der Brennstoff vor seiner Ausbreitung an der Wirbelkammerwand der heftigen Luftbewegung,
wie sie durch den Schußkanal erzeugt wird, entzogen wird. Der Brennstoff kann also
ungehindert von der durch den Schußkanal einschießenden Luft auf die Wand der Wirbelkammer
auftreffen und sich dann zum Film entwickeln. Gemäß der Erfindung steht für die
Entwicklung des Brennstoffilms an der Wirbelkammerwand jedoch nicht nur sozusagen
deren ganze Umfangslänge zur Verfügung, sondern auch deren volle Breite, weil die
Brennstoffeinspritzdüse und der Schußkanal in der Mittelebene der Wirbelkammer liegen
können. Durch die Erfindung wird also der Filmbildung des Brennstoffes die in einer
Wirbelkammer überhaupt größtmögliche Oberfläche dargeboten.
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Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, eine Brennstoffeinspritzdüse
zu verwenden, die eine Düsenbohrung oder deren mehrere hat. Es kann der Brennstoff
durch zwei fächerartig gerichtete, geschlossene Strahlen mit kurzer freier Strahlweglänge
eingespritzt werden. Der Brennstoff kann aber auch durch mehr als zwei, z. B. vier
fächerartig gerichtete, geschlossene Strahlen mit kurzer freier Strahlweglänge eingespritzt
werden. Wenn eine ungerade Anzahl von Brennstoffstrahlen zur Anwendung .kommt, so
kann zweckmäßig der mittlere dieser Brennstoffstrahlen in der Symmetrieebene der
Wirbelkammer eingespritzt werden, in der auch der Schußkanal in die Wirbelkammer
einmündet. Der Vorteil von zwei oder mehr Brennstoffstrahlen ist darin zu sehen,
daß sich die Filmbildung des Brennstoffes von Anfang an über eine möglichst große
Breite erstreckt.
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Bei der Filmbildung des Brennstoffes auf der Wand der Wirbelkammer
wird sich vorzugsweise in den Randgebieten des Brennstoffilms ein feinzerstäubtes
Gemisch von einem Teil des Brennstoffes und Verbrennungsluft bilden. Es ist eine
Erkenntnis der Erfindung, daß dies vorzugsweise zusammen mit einer Zündhilfe zur
Einleitung der Verbrennung herangezogen werden kann. Vorteilhaft ist dies nicht
nur für das Anlassen der kalten Maschine und zur Verkürzung des Zündverzuges beispielsweise
bei Teillast, sondern es ist dadurch auch gut möglich, die Maschine mit einem herabgesetzten
Verdichtungsverhältnis zu betreiben. Die Einspritzbrennkraftmaschine
wird
dadurch in ihrem Lauf noch ruhiger als dies bei solchen Maschinen schon der Fall
ist.
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Bei Maschinen mit herabgesetztem Verdichtungsverhältnis muß die Zündhilfe
zumindest bei Teillast dauernd in Betrieb sein. Die Zündhilfe gemäß der Erfindung
soll in der Wirbelkammer in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft und des Brennstoffes
gesehen der Brennstoffeinspritzdüse nachgeschaltet sein, wobei diese zweckmäßig
ebenfalls in dem durch die vorerwähnte Sehne abgetrennten Wandteil der Wirbelkammer
angeordnet ist. Bei einer Brennstoffeinspritzdüse mit mehreren Spritzöffnungen soll
die Zündhilfe in dem Winkel zwischen den Brennstoffstrahlen, dort, wo diese bei
Leerlauf und Vollast immer ein reiches, feinzerstäubtes Randgemisch von Brennstoff
und Verbrennungsluft bilden, angeordnet sein. Die Zündhilfe kann eine Zündherze,
eine Glühkerze oder ein Katalyt sein, letzterer wird beheizt, wodurch die Zündung
noch besser eingeleitet wird.
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Die Herabsetzung des Verdichtungsverhältnisses der Einspritzbrennkraftmaschine
bietet den weiteren Vorteil, daß dieselbe mit Aufladung, insbesondere Abgasturboaufladung,
betrieben werden kann, ohne daß allzu hohe Spitzendrücke bei Vollast auftreten.
Wenn die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit Aufladung betrieben wird, so ist
es vorteilhaft, wenn ihr Verdichtungsverhältnis so bestimmt wird, daß bei Leerlauf
keine Selbstzündung des Brennstoffes, bei großer Last und damit hoher Aufladung
jedoch Selbstzündung des Brennstoffes gewährleistet ist.
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Zum Schutz der Mündung bzw. der Spritzöffnungen der Brennstoffeinspritzdüse
soll gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Bohrung zur Aufnahme der
Brennstoffeinspritzdüse so schräg in die Wirbelkammer einmünden, daß ihr dem Schußkanal
zugewandter Wandteil die Mündung der Brennstoffeinspritzdüse überragt. Auf diese
Weise steht die Mündung der Brennstoffeinspritzdüse in bezug auf den durch den Schußkanal
in die Wirbelkammer eintretenden Luftstrom gewissermaßen im Windschatten aber auch
im Hinblick auf die in der Wirbelkammer kreisende Luft.
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Damit bei einer breiten Auftragung des Brennstoffes auf die Wirbelkammerwand
eine gute Aufnahme des an der Wirbelkammerwand aufgedampften Brennstoffes durch
die Verbrennungsluft sichergestellt wird, ist es sehr vorteilhaft, wenn der Schußkanal
mit länglichem Querschnitt in die Wirbelkammer einmündet. Der Querschnitt des Schußkanals
soll dabei so liegen, daß sich die aus dem Schußkanal in die Wirbelkammer eintretende
Verbrennungsluft als breites Band an die Wand der Wirbelkammer anlegt.
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Die neue Erfindung bezieht sich sowohl auf eine Einspritzbrennkraftmaschine,
bei welcher die Wirbelkammer im oberen Totpunkt des Arbeitskolbens nahezu die gesamte
Verbrennungsluft enthält, als auch auf eine solche Wirbelkammermaschine, bei welcher
die Wirbelkammer im oberen Totpunkt des Arbeitskolbens nur einen Teil der gesamten
Verbrennungsluft enthält. Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung soll für eine
Wirbelkammermaschine der zuletzt genannten Art der Ablauf der Verbrennung ir! der
Wirbelkammer so gestaltet werden, daß an ihr nur ein Teil des insgesamt eingespritzten
Brennstoffes teilnimmt, so daß der _;n der Verbrennung in der Wirbelkammer nicht
teilnehmende Brennstoffanteil durch den Schußkanal in den Zylinderraum gelangt und
erst dort verbrennt. Der Brennstoffilm strömt über die Kante, welche durch die Wand
der Wirbelkammer und den ihrer Mitte zugewandten Wandteil des Schußkanals gebildet
wird, hinaus und wird durch die nach Einleitung der Verbrennung in der Wirbelkammer
auftretende Drucksteigerung durch den Schußkanal in den Zylinderraum hinausgeschleudert.
Die vorerwähnte Kante kann scharfkantig sein, sie kann auch zur Erhöhung der Verwirbelung
nach dem Inneren der Wirbelkammer zu hochgezogen sein. In manchen Fällen kann es
jedoch von Vorteil sein, statt einer Kante eine Abrundung an dieser Ablösungsstelle
vorzusehen, wobei diese Abrundung auch wiederum nach dem Inneren der Wirbelkammer
zu hochgezogen sein kann.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann noch verbessert werden
durch eine Brennstoffeinspritzdüse, die eine im Verhältnis zur Hauptbrennstoffmenge
kleine Brennstoffmenge luftverteilt als Zündstrahlmenge in Richtung auf den Schußkanal
zu einspritzt. Dadurch wird auch bei sehr kalter Maschine ein sicheres Anlassen
der Einspritzbrennkraftmaschine erreicht. Darüber hinaus ist es möglich, sie auch
als Vielstoffmotor mit schwer zündbaren Brennstoffen zu betreiben.
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Bei Einspritzbrennkraftmaschinen mit luftverteilter Vermischung des
Brennstoffies mit der Verbrennungsluft ist es sowohl bekannt, den Teil der Wand
des Schußkanals, welcher der Mitte der Wirbelkammer abgewandt ist, als Verlängerung
gedacht, den Urr_-fang der Wirbelkammer als Sehne schneiden zu lassen, als auch
die Brennstoffeinspritzdüse in dem durch die Sehne abgetrennten Wandteil der Wirbelkammer
anzuordnen. Bei den bekannten Brennkraftmaschinen dienen beide Maßnahmen jedoch
nur dem Zweck, die luftverteilte Vermischung des Brennstoffes mit der Verbrennungsluft
zu verbessern. Für den Fachmann ist nirgendwo ein Hinweis gegeben, daß diese Maßnahmen
bei einer Brennkraftmaschine der hier in Rede stehenden Art vorteilhaft sind, Es
wird hier noch zum Ausdruck gebracht, daß an den Hauptgedanken der Erfindung sich
anschließende Gedanken zur weiteren Ausgestaltung der Erfindung, soweit diese sich
auf Maßnahmen beziehen, die bei Einspritzbrennkraftmaschinen mit luftverteilter
Vermischung des Brennstoffes arbeiten, an sich bekannt sind, nur im Zusammenhang
mit dem Hauptgedanken der neuen Erfindung Schutz beansprucht wird.
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In der Zeichnung sind Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise
dargestellt.
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Die A b b. 1 zeigt eine Stirnseite einer Einspritzbrennkraftmaschine
mit in einer Reihe angeordneten Zylindern; Die A b b. 2 zeigt einen Teil eines Zylinderkopfes
der in A b b. 1 dargestellten Einspritzbrennkraftmaschine im Schnitt, so daß die
in diesem Zylinderkopf vorhandene Wirbelkammer zu sehen ist; Die A b b. 3 zeigt
einen Schnitt nach der Linie 111-I11 in A b b. 2; Die A b b. 4 zeigt einen Schnitt
entsprechend der A b b. 2 durch eine Wirbelkammer, die im oberen Totpunkt des Arbeitskolbens
nur einen Teil der gesamten Verbrennungsluft enthält; Die A b b. 5 und 6 zeigen
Abänderungen der Wirbelkammer nach A b b. 4.
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In der A b b. 1 ist das Kurbelgehäuse der Einspritzbrennkraftmaschine
mit 1 bezeichnet. Es trägt
in bekannter Weise die in einer Reihe
angeordneten Zylinder 2. Die Zylinder 2 sind mit Zylinderköpfen 3 ausgerüstet, welche
die Ventile für den Ladungswechsel und eine Wirbelkammer enthalten. Die Einspritzbrennkraftmaschine
wird mit Ausladung betrieben. Sie hat zu diesem Zweck einen Abgasturbosatz 4, der
einerseits über Leitungen 5 an den Auspuff der Einspritzbrennkraftmaschine und andererseits
über eine Leitung 6 an den Einlaß derselben angeschlossen ist. Der Abgasturbosatz
4 saugt die Verbrennungsluft durch ein Filter 7 über eine Ansaugleitung 8 an. Bei
9 verlassen die Abgase den Abgasturbosatz durch einen Abgasstutzen. An den Zylinderköpfen
3 sind je eine Brennstoffeinspritzdüse 10 und eine Zündhilfe 11 angeordnet. Die
Brennstoffeinspritzdüsen 10 sind über Druckleitungen 12 mit der Brennstoffeinspritzpumpe
13 verbunden.
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Die Einspritzbrennkraftmaschine ist eine Wirbelkammermaschine. In
jedem ihrer Zylinderköpfe ist eine Wirbelkammer 14 angeordnet, die mit dem jeweiligen
Zylinderraum 15 durch einen Schußkanal 16 verbunden ist. Bei der Verdichtung der
Verbrennungsluft durch den Arbeitskolben 17 wird die Verbrennungsluft durch den
Schußkanal 16 so in die Wirbelkammer 14 hineinverdrängt, daß in dieser eine kreisende
Luftströmung erzeugt wird. Der Brennstoff wird durch die Brennstoffeinspritzdüse
10 so in die Wirbelkammer 14 eingebracht, daß er gleichsinnig zu der durch die Verdichtung
der Verbrennungsluft hervorgerufenen kreisenden Luftströmung als dünner Film auf
die Wand der Wirbelkammer fließt. Die Wand der Wirbelkammer hat dabei ein Temperaturniveau,
welches im Bereich der natürlichen Siedetemperatur des Brennstoffes liegt. Der Schußkana116
ist so ausgebildet, daß der Teil 19 seiner Wand, welcher der Mitte der Wirbelkammer
abgewandt ist, als Verlängerung gedacht, den Umfang der Wirbelkammer als Sehne schneidet.
Diese Sehne ist in A b b. 2 mit 20 bezeichnet. Wie die A b b. 2 weiter zeigt, ist
die Brennstoffeinspritzdüse 10 in dem durch die Sehne abgetrennten Wandteil 21 der
Wirbelkammer 14 nahe der Mündung 22 des Schußkanals 16 in die Wirbelkammer
14 angeordnet. In der Wirbelkammer 14 ist in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft
und des Brennstoffes gesehen, der Brennstoffeinspritzdüse 10 die Zündhilfe
11 nachgeschaltet. Die Zündhilfe ist ebenfalls in dem durch die Sehne
20 abgetrennten Wandteil 21 der Wirbelkammer 14
angeordnet.
Wie die A b b. 3 zeigt, ist es besonders vorteilhaft, die Zündhilfe 11 in die Wand
der Wirbelkammer in dem Winkel zwischen zwei Brennstoffstrahlen 24 vorzusehen, dort,
wo diese bei Leerlauf und Vollast immer ein reiches feinzerstäubtes Randgemisch
von Brennstoff mit der Verbrennungsluft bilden. Die Zündhilfe ist hier eine Glühkerze
23. An Stelle der Glühkerze kann aber auch eine Zündkerze oder aber auch ein Katalyt
angeordnet werden, der beheizt wird.
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Nach A b b. 2 hat der Kolben 17 einen ebenen Kolbenboden 25. Im oberen
Totpunkt des Arbeitskolbens 17 geht dieser so nahe an den Zylinderkopf heran, daß
er fast die ganze Verbrennungsluft aus dem Zylinder durch den Schußkanal 16 in die
Wirbelkammer hinein verdrängt.
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Nach A b b. 4 ist dies anders. Hier geht der Kolben 26 im oberen Totpunkt
zwar nahe an den Zylinderkopf heran, er hat jedoch eine Mulde 27, die in geeigneter
Anordnung zum Schußkanal 28 der Wirbelkammer 29 liegt. Diese Wirbelkammer 29 enthält
also im oberen Totpunkt des Arbeitskolbens 26 nur einen Teil der Verbrennungsluft,
der übrige Teil verbleibt in der Mulde 27 des Arbeitskolbens 26. Die A b b. 4 zeigt
demnach eine Einspritzbrennkraftmaschine, die gewissermaßen als Vorkammermaschine
anzusprechen ist. Bei ihr soll nur eine Vorverbrennung in der Wirbelkammer und die
Hauptverbrennung im Zylinder der Brennkraftmaschine stattfinden. Je nach dem Größenverhältnis
zwischen Mulde 27 und Wirbelkammer 29 wird das eine oder andere mehr oder weniger
der Fall sein. Die Hauptverbrennung in der Mulde 27 des Kolbens bzw. im Zylinder
soll dadurch gefördert werden, daß der durch die Brennstoffeinspritzdüse 30 eingespritzte
Brennstoff sich als Film über den ganzen Umfang der Wirbelkammer 29 erstreckt und
an der Kante 31 abreißt. Der über die Kante 31 hinaus strömende Brennstoff wird
durch die in der Wirbelkammer 29 hervorgerufene Drucksteigerung der Vorverbrennung
durch den Schußkana128 in den Zylinder hineingeschleudert und dort vollständig verbrannt.
Wie die A b b. 4 zeigt, ist die Kante 31 scharf. Sie ist etwas nach dem Inneren
der Wirbelkammer zu hochgezogen. In manchen Fällen kann es vorteilhaft sein, anstatt
der scharfen Kante 31 eine Abrundung 32 vorzusehen (s. A b b. 5). Diese Abrundung
32 kann, wie die A b b. 6 zeigt, ebenfalls nach dem Inneren der Wirbelkammer zu
hochgezogen sein.