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Einspritzbrennkraftmaschine Die Erfindung betrifft eine Einspritzbrennkraftmaschine,
insbesondere Dieselmaschine, die eine in der Längsmittelachse des Zylinders im Zylinderkopf
angeordnete Brennstoffeinspritzdüse aufweist, welche Brennstoffstrahlen steil gegen
den Kolbenboden richtet, der eine in bezug auf die Längsmittelachse des Zylinders
drehsymmetrische, im wesentlichen kegelförmige Erhebung aufweist, welche die Brennstoffstrahlen
so umlenkt, daß sich der Brennstoff über die Kolbenbodenfläche verteilt.
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Bei Dieselmaschinen hat man seit jeher angestrebt, die Verbrennung
des Brennstoffes unmittelbar im Zylinderraum vorzunehmen. Dies ist bisher jedoch
noch nicht in zufriedenstellender Weise erreicht worden. Die bisher bekannten sogenannten
Dieselmaschinen mit direkter Einspritzung haben einen harten Gang. Weil man diesen
harten Gang nicht beseitigen konnte, ist man auf dem Umweg über die Verbrennung
des Brennstoffes in Brennkammern, die vom Zylinderraum abgetrennt sind, zu den sogenannten
Vorkammer-Dieselmaschinen und den Dieselmaschinen mit Wirbelkammer gekommen. Neben
den zuletzt genannten Dieselmaschinen sind noch solche bekanntgeworden, die neben
einem vom Zylinderraum abgetrennten Verbrennungsraum mit einem Luftspeicher arbeiten.
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Wenn auch bei den Dieselmaschinen mit Nebenbrennraum ein außer beim
Anlassen geräuschloseres Laufen erzielt wurde, so hat das Trachten nach einer Dieselmaschine
mit direkter Einspritzung noch lange nicht aufgehört, denn auch die Dieselmaschinen
mit Nebenbrennraum haben gewisse Mängel, die unerwünscht sind. Bei den Dieselmaschinen
mit Nebenbrennraum hat es sich zunächst gezeigt, daß sie schlechter anspringen als
Dieselmaschinen mit direkter Einspritzung und einen höheren Brennstoffverbrauch
haben. Darüber hinaus macht der Nebenbrennraum bei der Konstruktion des Zylinderkopfes
räumlich und thermisch größere Schwierigkeiten, insbesondere bei luftgekühlten Brennkraftmaschinen.
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In der letzten Zeit sind Dieselmaschinen bekanntgeworden, die weder
mit direkter Einspritzung noch mit einem Nebenbrennraum arbeiten. Es ist hier nicht
an die Maschinen gedacht, die mit Einspritzung des Brennstoffes und Fremdzündung
desselben arbeiten, sondern an Maschinen, bei denen die Erkenntnis ausgenutzt wurde,
daß auf die Wand eines Verbrennungsraumes aufgespritzter Brennstoff nicht an dieser
Wand reflektiert, sondern an dieser Wand entlangströmend sich zu einem Brennstoffilm
ausbreitet und verdampft. Bei diesen Brennkraftmaschinen wird der Brennstoff auf
die Wand eines im Kolben angeordneten rotationssymmetrischen Brennraumes aufgebracht
und von der wirbelnden Verbrennungsluft in Dampfform allmählich abgelöst, mit dieser
vermischt und verbrannt. Durch diese Maschinen ist zweifellos ein beträchtlicher
Fortschritt erzielt worden. Sie zeichnen sich neben einem ruhigen Gang durch die
Vermeidung eines im Zylinderkopf angeordneten Nebenbrennraumes aus.
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Wie man bei Maschinen mit direkter Einspritzung die Anordnung eines
Brennraumes im Kolben als nachteilig empfunden hat, so ist dies auch bei den neuen
Brennkraftmaschinen der Fall. Die Anordnung eines Brennraumes im Kolben schafft
bei hochbelasteten Brennkraftmaschinen, insbesondere bei Zweitaktbrennkraftmaschinen
einen untragbar hohen Temperaturzustand für die Kolbenringe. Die Kolbenringe brennen
in ihren Nuten fest, so daß sie unwirksam werden.
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Bei den zuletzt erwähnten Dieselmaschinen wird, wie bei früheren bekannten
Dieselmaschinen eine Bewegung der Verbrennungsluft ausgenutzt, um dieselbe mit dem
Brennstoff innig zu mischen. Eine ausreichende Bewegung der Verbrennungsluft kann
aber nur erzielt werden, wenn der Verbrennungsraum der Maschine argendwie unterteilt
gestaltet wird. Da die unterteilte Gestaltung des Verbrennungsraumes sowohl im Hinblick
auf die Anordnung eines Nebenbrennraumes im Zylinderkopf als auch im Hinblick auf
die Anordnung eines Brennraumes im Kolben nachteilig ist, soll gemäß der neuen Erfindung
ein Weg gewiesen werden, auf dem im wesentlichen mit einer einfachen scheibenförmigen
Gestaltung des Brennraumes ein zufriedenstellender Betrieb der Dieselmaschine erzielt
wird. Die neue Erfindung
stützt sich ebenfalls auf die bekannten
Erkenntnisse, daß ein auf eine Wand des Brennraumes aufgespritzter Brennstoffstrahl
an dieser Wand nicht reflektiert, sondern an dieser Wand vorbeiströmend sich zu
einem Brennstoffilm ausbreitet und durch die Wärme der Wand und der - Verdichtungsluft
verdampft. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der Verbrennungsraum
in Verbindung mit dieser Einbringung des Brennstoffes in den Brennraum der Maschine
so gestaltet werden muß, daß dem an der Wand aufbereiteten zur Dampfform gewordenen
Brennstoff jeweils die Luftmenge zur Verfügung steht, die zu seiner vollständigen
Verbrennung an jeder Stelle des Brennraumes notwendig ist, und zwar in einer Menge,
die der an jeder Stelle abdampfenden Brennstoffmenge entspricht. Bei Dieselmaschinen
mit direkter Einspritzung und Strahlzerstäubung ist es an sich bekannt, den Brennraum
oder Teile desselben dem Brennstoffstrahl bzw. den Brennstoffstrahlen formmäßig
anzupassen. Diese Maßnahme hat jedoch bei diesen Maschinen nicht zu einem restlos
befriedigenden Ergebnis geführt. Dies hängt damit zusammen, daß bei der Strahlzerstäubung
der Brennstoff noch nicht genügend aufgelöst ist, um sich ohne weiteres mit der
Verbrennungsluft innig zu mischen, und daß es bei direkter Vermischung von flüssigem
Brennstoff mit Luft kaum möglich ist, eine gleichmäßige Luft-Brennstoff-Konzentration
an jeder Stelle des Brennraumes zu erreichen. Selbst eine zusätzliche Bewegung -der
Verbrennungsluft konnte über die Schwierigkeiten, die durch diese Tatsachen bedingt
sind, nicht hinweghelfen.
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Die Erfindung besteht darin, daß die düsenseitige Begrenzung des Brennraumes
so verläuft, daß sie im wesentlichen der Kontur des Kolbenbodens mit geringem Abstand
folgt, wobei dieser Abstand mit größer werdender Entfernung von der Längsmittelachse
des Zylinders zunächst größer und nach Erreichen eines Größtwertes wieder kleiner
wird.
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Es soll an dieser Stelle noch erwähnt werden, daß eine - Brennkraftmaschine
mit mittig angeordneter Brenristoffeinspritzdüse bekannt ist, bei welcher der Kolben
eine in bezug auf die Längsmittelachse des Zylinders drehsymmetrische Erhebung in
der Längsmittelachse des Zylinders aufweist, zu der die Brennstoffeinspritzdüse
zur Zeit der Brennstoffeinspritzung einen kurzen--Abstand hat. Die bekannte Brennkraftmaschine
arbeitet jedoch nicht mit einer Brennstoffeinspritzung, die kurzzeitig erfolgt und
bei der sich der Brennstoff durch Umlenkung über die ganze Fläche des Kolbens in
einen mit größer werdendem Abstand von der Brennstoffeinspritzdüse dünner werdenden
Brennstoffilm verteilt, sondern mit einer Brennstoffeinspritzung, bei der die Brennstoffstrahlen
in einer solchen Richtung auf die Fläche des Kolbens auftreffen, daß der Auftreffwinkel
im Kolbentotpunkt kleiner ist und im weiteren Verlauf der Einspritzung, wenn sich
der Kolben vom Totpunkt entfernt, allmählich wächst. Darüber hinaus ist bei der
bekannten Brennkraftmaschine die düsenseitige Begrenzung des Zylinderkopfbodens
eben, so daß auch nicht die erfindungsgemäße Vor- und Anlagerung der Verbrennungsluft
an den Brennstoff eintritt. Die bekannte Brennkraftmaschine ist ihrem Wesen nach
mehr eine Dieselmaschine mit Strahlenzerstäubung. Die Brennkraftmaschine gemäß der
neuen Erfindung arbeitet nicht mit einer Zerstäubung des Brennstoffstrahls in die
Luft. Von diesen Nebendüsenbohrungen können mehr als zwei vorhanden sein, deren
Düsenstrahlen im gleichen Winkel zur Längsmittelachse des Zylinders stehen.
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Es ist im Rahmen der Erfindung vorteilhaft, wenn ein Teil des Kolbenbodenrandes
in der oberen Totpunktstellung des Kolbens so nahe an den Zylinderkopfboden herangeführt
ist, daß die Verteilung des aufgespritzten Brennstoffes auf eine kleinere Fläche
des Kolbenbodens beschränkt bleiben kann. Auf diese Weise wird auch die am äußeren
Rande des Brennraumes befindliche Verbrennungsluft besser zur Verbrennung herangezogen.
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In der Zeichnung sind Ausführungsformen der Erfindung, soweit es zur
Erläuterung derselben erforderlich ist, beispielsweise schematisch dargestellt.
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A b b. 1, 3 und 4 zeigen senkrechte Längschnitte durch den Zylinderkopf
und den oberen Teil des Zylinders einer Enspritzbrennkraftmaschine; A b b. 2 zeigt
jeweils den Grundriß zu den A b b. 1, 3 und 4 nach den in diesen Abbildungen eingezeichneten
Schnittlinien a-a.
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In den A b b. 1 bis 4 bezeichnet 1 den Arbeitskolben, 2 den Zylinder
und 3 den Zylinderkopf einer Dieselmaschine. Die Brennstoffeinspritzdüse 4 dieser
Dieselmaschine ist im Zylinderkopf 3 angeordnet, und zwär so, daß sie in der Längsmittelachse
des Zylinders 2 liegt. Die Organe zur Einführung der Verbrennungsluft und zur Abführung
der Gase sind nicht dargestellt, weil die Erfindung sowohl für Viertaktals auch
für Zweitaktdieselmaschinen vorteilhaft ist.
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Auf dem Arbeitskolben 1 ist in bezug . auf die Längsmittelachse des
Zylinders 2 eine drehsymmetrische Erhebung 5 vorgesehen, zu der die Brennstoffeinspritzdüse
4 zur Zeit der Brennstoffeinspritzung einen kurzen Abstand hat. Die Brennstoffeinspritzung
erfolgt kurzzeitig, dabei sind die Brennstoffeinspritzdüse 4 verlassenden Brennstoffstrahlen
steil gegen den Kolbenboden gerichtet. Sie werden an der drehsymmetrischen Erhebung
des Kolbens umgelenkt und über die ganze Bodenfläche des Kolbens verteilt. Sie bilden
auf dem Kolben einen allseitig auseinanderfließenden, mit größer werdendem Abstand
von der Längsmittelachse des Zylinders dünner werdenden Brennstoffilm, der am heißen
Kolbenboden und an der heißen Verdichtungsluft verdampft. Zur Bildung dieses auf
dem Kolbenboden allseitig auseinanderfließenden Brennstoffilms ist es besonders
zweckmäßig, eine sogenannte Mehrlochbrennstoffeinspritzdüse anzuwenden, die einen
Kranz von mehreren Brennstoffstrahlen gegen die höchste Stelle der drehsymmetrischen
Erhebung 5 auf den Kolben spritzt. In A b b . 2 ist angedeutet, wie sich die Brennstoffstrahlen
11 einer solchen Brennstoffeinspritzdüse verteilen.
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Die düsenseitige Begrenzung des Verbrennungsraumes, d. h. der Zylinderkopfboden
6, hat im wesentlichen einen solchen Verlauf, daß in einem durch die Längsmittelachse
des Zylinders gelegten Schnitt, also hier im Schnitt entsprechend den A b b. 1,
3 und 4, die Kontur des Zylinderkopfbodens mit geringem Abstand etwa der Kontur
des Kolbenbodens folgt, jedoch so, daß mit größer werdender Entfernung von der Längsmittelachse
des Zylinders dieser Abstand in Achsrichtung zunächst größer und nach Erreichen
eines Größtwertes wieder kleiner wird. Durch diese Gestaltung des im wesentlichen
scheibenförmigen Verbrennungsraumes wird eine
zweckmäßige Anlagerung
der Verbrennungsluft an den auf dem Kolbenboden verdampfenden Brennstoff erreicht.
Die Anlagerung geschieht in zweckmäßiger Weise derart, daß überall dort, wo genügend
aufbereiteter Brennstoff im Verbrennungsraum vorhanden ist, diesem aufbereiteten
Brennstoff die zu seiner Verbrennung notwendige Verbrennungsluft dargeboten wird.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Übergang der Erhebung 5 auf
dem Kolben 1 zum Kolbenbodenrand so ausgebildet ist, daß eine strömungsmäßig günstige
Umlenkung des aufgespritzten Brennstoffes erreicht wird. Auf diese Weise wird also
eine möglichst verlustlose Umlenkung des Brennstoffes aus seiner Spritzrichtung
in die Richtung der Kolbenoberfläche gewährleistet.
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Die A b b. 1 bis 4 zeigen, im Prinzip gesehen, die gleiche Dieselmaschine.
Ein Unterschied besteht lediglich in der Ausbildung der drehsymmetrischen Erhebung
auf dem Kolbenboden, die in A b b. 3 mit 7 und in A b b. 4 mit 8 bezeichnet ist.
Die A b b. 4 zeigt noch die Besonderheit, daß ein Teil des Kolbenbodenrandes in
der oberen Totpunktstellung des Kolbens 1 so nahe an den Zylinderkopf 3 herangeführt
ist, daß auch die am äußeren Rande des Brennraumes befindliche Verbrennungsluft
zur Verbrennung herangezogen wird. Dies kann in gewissen Fällen von Vorteil sein,
z. B. dann, wenn infolge der Größe des Durchmessers des Verbrennungsraumes der auf
dem Kolbenboden aufgebrachte Brennstoffilm nicht bis in den Bereich des äußeren
Randes des Verbrennungsraumes auseinanderfließt.