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Selbstzündende, luftverdichtende Einspritzbrennkraftmaschine Die Erfindung
bezieht sich auf eine selbstzündende, luftverdichtende Einspritzbrennkraftmaschine
mit einem im Zylinderkopf oder im Kolben angeordneten Brennraum, bei welcher der
größere Anteil des in einem oder mehreren Strahlen eingespritzten Kraftstoffes unter
der Wirkung einer gerichteten Luftbewegung auf Brennraumwandungsteile filmartig
aufgetragen, in Dampfform vom Luftstrom wieder abgelöst, mit der Luft vermischt
und danach verbrannt wird.
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Bei diesem Einspritz- und Gemischbildungsverfahren ist eine möglichst
kurze freie Kraftstoffstrahlweglänge von Bedeutung, damit eine vor der Filmauftragung,
insbesondere durch Randablösung des der Luftbewegung ausgesetzten Kraftstoffstrahles
bzw. der Kraftstoffstrahlen eintretende unmittelbare Vermischung des flüssigen Kraftstoffes
mit der Verbrennungsluft in den hierfür vorgesehenen Grenzen bleibt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Einspritzbrennkraftmaschine,
die nach dem hier vorausgesetzten Einspritz- und Gemischbildungsverfahren arbeitet,
hinsichtlich der jeweiligen Auswahl der Brennraumform wie auch der Brennraundage,
beispielsweise im Zylinderkopf, nicht mehr absolut abhängig zu sein von einer durch
eine ortsfeste Einspritzdüse ein für allemal festgelegten Lage des bzw. der Kraftstoffstrahlen,
ohne daß eine filmartige Wandauftragung des Kraftstoffes deswegen beeinträchtigt
wird. Des weiteren wird angestrebt, den jeweils eingespritzten Kraftstoffanteil
so weit wie möglich als großflächigen Film auf die jeweils für eine Filmauftragung
vorgesehene Fläche aufzutragen.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Einspritzdüse
während des Einspritzvorganges in an sich bekannter Weise in Abhängigkeit von der
Kolbenbewegung jeweils in Richtung der Düsen-Längsachse verschoben und/oder verdreht
wird, so daß die Düse an den für die filmartige Auftragung des Kraftstoffes vorgesehenen
Wandungsteilen vorbeigeführt wird. Dabei kann die Führung für die Einspritzdüse
auch schraubenförmig ausgebildet sein.
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Einspritzdüsen mit axialer oder Drehbewegung sind zwar bekannt, sie
dienen jedoch dem Zweck, entweder die Menge des eingespritzten Kraftstoffes zu regeln,
insofern, als durch Verschiebung der Düse eine mehr oder minder große Anzahl von
Spritzöffnungen freigegeben werden, oder in anderen Fällen dazu, eine bessere Zerstäubung
des Kraftstoffes zu erzielen.
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Des weiteren ist eine Vorkammer-Einspritzbrennkraftmaschine bekanntgeworden,
bei der eine kraftstoffgesteuerte Zapfendüse verwendet wird. Durch die eigenartige
Wirkungsweise einer solchen Zapfendüse kann zwar der Gedanke realisiert werden,
den Kraftstoffstrahl im Verlauf des Einspritzvorganges in verschiedene Bereiche
der Vorkammer zu spritzen. Jedoch werden hier gegenüber dem Anmeldungsgegenstand
andersartige Ziele verfolgt; und zwar wird bei der bekannten Vorkammermaschine die
Strahlcharakteristik während des Einspritzvorganges stetig verändert, indem während
des Öffnungshubes der Zapfendüse ein Streukegelstrahl mit einem sehr großen Kegelwinkel
zum Einsatz gelangt, der gegen Ende des Öffnungshubes in einen geschlossenen Kraftstoffstrahl
mit einem spitzen Kegelwinkel übergeht. Dabei wird von einer herkömmlichen unmittelbaren
Vermischung des flüssigen Kraftstoffes mit der Luft nicht abgewichen, da der Kraftstoffstrahl
stets dem Gegenstrom der Kompressionsluft ausgesetzt ist.
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Im Gegensatz hierzu kann beim Anmeldungsgegenstand durch eine individuelle
Bewegung der Einspritzdüse einem für die Durchführung des vorausgesetzten Einspritz-
und Gemischbildungsverfahren möglichst flachen Auftreffwinkel des Kraftstoffstrahles
wirkungsvoll Rechnung getragen werden.
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Außerdem ergibt sich im Vergleich mit einer ortsfesten Einspritzdüse
der wesentliche Vorteil, daß auf eine bedeutend größere Wandungsfläche ein Kraftstoffilm
aufgetragen werden kann, insbesondere wenn dabei die Wandungsfläche und die gegebene
Längsverschiebung der Einspritzdüse einander angepaßt werden, so daß die Entfernung
von der Düsenmündung bis zur Auftreffstelle des Kraftstoffes an der jeweils gegenüberliegenden
Wandung durchwegs kurz bleibt. So kann bei einer Vorkammermaschine beispielsweise
deren Übertrittskanal für die Filmauftragung herangezogen werden und zu diesem Zweck
unter Umständen etwas länger ausgeführt werden, als es an sich notwendig wäre. Es
läßt sich dann auch auf einfache Weise eine genügend hohe Geschwindigkeit der vom
Arbeitszylinder zur Vorkammer
strömenden Verbrennungsluft, die
zum Ablösen des Kraftstoffilms von der Wandung von besonderer Bedeutung ist, erzielen.
Die Verwirklichung des Erfindungsgedankens ist aber nicht auf die Anwendung von
Vorkammern beschränkt, sondern sie ist bei jeder Art von Brennräumen möglich, bei
denen ein Teil der Brennraumwandung zur Auftragung des flüssigen Kraftstoffes mit
der axial verschiebbaren Einspritzdüse geeignet gemacht und eine entsprechende Luftströmung
zum Ablösen des Kraftstoffilms vorgesehen werden kann.
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Das freie Ende der Einspritzdüse schließt in deren Ruhelage etwa mit
der Oberfläche der Brennraumwandung ab oder ist zurückgesetzt, so daß die Einwirkung
der Brenngase möglichst gering bleibt. Das Einspritzen des Kraftstoffes beginnt
zweckmäßig während der beispielsweise axialen Verschiebung der Einspritzdüse an
einer Stelle, an der der Abstand zwischen den Wandungsflächen eines vorgesehenen
übertrittskanals, die mit einem Kraftstoffilm überzogen werden sollen, und den entsprechenden
Austrittsöffnungen der Einspritzdüse so gering ist, daß eine einwandfreie Filmauftragung
erfolgen kann.
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Bei der vorliegenden Art von Einspritzbrennkraftmaschinen mit Selbstzündung
besteht das Kraftstoff-Luft-Gemisch aus einem wand- und einem luftverteilten Kraftstoffanteil.
Der luftverteilte Kraftstoffanteil kann in der Weise erreicht werden, daß im Brennraum
und/oder gegebenenfalls im Übertrittskanal in radialer Richtung verlaufende, einander
gegenüberliegende Ausweitungen angeordnet werden, so daß Kraftstoffstrahlen oder
bei Anwendung von Zapfendüsen Abschnitte des Kraftstoffschleiers, die in diese Ausweitungen
gerichtet sind, so viel Luftraum vorfinden, daß sie dort zerstäubt werden können
oder daß Kraftstoffstrahlen so auf die Wandung gerichtet sind, daß ein Rückprall
der Kraftstofftröpfchen erfolgt und der Kraftstoff dadurch zerstäubt und mit der
Luft innig vermischt wird. Da bei Dieselmaschinen der luftverteilte Kraftstoffanteil
in erster Linie dazu dient, das Gemisch zündfähig zu machen, ist es (bei Anordnung
einer Anzahl von Einspritzdüsenöffnungen) nicht nötig, die Einspritzzeit für die
dafür vorgesehenen Kraftstoffstrahlen ebenso lang zu wählen wie für die filmbildenden
Kraftstoffstrahlen. Es genügt, wenn in dem Zeitpunkt, in dem das Gemisch entzündet
werden soll, eine kurzzeitige Einspritzung von Kraftstoff erfolgt, durch die ein
luftverteilter Kraftstoffanteil gebildet wird. Es kann sogar darauf verzichtet werden,
den luftverteilten Kraftstoffanteil mit derselben axial verschiebbaren und/oder
beispielsweise verdrehbaren Einspritzdüse zu erzeugen wie den wandverteilten Kraftstoffanteil
und dafür eine besondere ortsfeste Einspritzdüse vorzusehen, mit der nur eine geringe,
für eine Zündung gerade ausreichende Menge von Kraftstoff in einem bestimmten Zeitpunkt
eingespritzt wird. Die Zündung kann aber auch durch Fremdzündung mittels einer Zünd-
oder Glühkerze erfolgen, so daß der luftverteilte Kraftstoffanteil entfallen kann.
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Die Maßnahme, Wandungsflächen für die Kraftstoffauftragung in einem
übertrittskanal einer Vorkammermaschine vorzusehen, ergibt den wesentlichen Vorteil,
daß die zum Ablösen des auf die Wandungsflächen des übertrittskanals aufgebrachten
Kraftstoffilms erforderliche hohe Luftgeschwindigkeit auf einfache Weise durch die
in den übertrittskanal eindringende, also diesen Durchströmungsquerschnitt vorübergehend
verengende Einspritzdüse erzeugt und durch die Wahl des Durchmessers der Einspritzdüse
bzw. deren Fassung beliebig geregelt werden kann, so daß die Ablösung des Kraftstoffilms
in der gewünschten Weise vor sich geht.
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Da sich die längsverschiebbare Einspritzdüse in der Hauptsache nur
während der Zeitspanne der Gemischbildung im übertrittskanal befindet, sind die
Drosselverluste der strömenden Luft bzw. des Gemisches nur auf diese Zeit beschränkt.
Im Zeitpunkt der Verbrennung des Gemisches ist die Einspritzdüse aus dem übertrittskanal
und der Vorkammer herausgezogen, so daß die Brenngase ungehindert durchströmen können.
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Was die Formgebung des übertrittskanals anbelangt, ist es nicht unbedingt
erforderlich, besondere seitliche Ausweitungen für die Erzeugung des luftzerstäubten
Kraftstoffanteils anzuordnen. Es ist statt dessen auch möglich, eine abgewandelte
Querschnittform des Übertrittskanals mit beispielsweise rundem oder ovalem Querschnitt
zu verwenden und die Einspritzdüse so aus dem Kanalmittelpunkt zu versetzen, daß
sie sich einseitig sehr nahe an der Wandung des übertrittskanals vorbeibewegt und
der Kraftftoff daher auf dieser Seite als Film auf die Wandung aufgetragen wird,
während auf der entgegengesetzten Seite ein unmittelbares Kraftstoff-Luft-Gemisch
erzeugt wird. Ebenso wie beim übertrittskanals sind auch bei der Gestaltung der
als Brennraum dienenden Vorkammer die verschiedensten Abwandlungen möglich. Das
Verhältnis der Wandungsfläche des Übertrittskanals zu derjenigen des Brennraumes
kann weitgehend verschieden sein, so daß z. B. im Grenzfall der übertrittskanal
selbst zum Brennraum wird. Der Erfindungsgegenstand kann auch bei im Kolben oder
teilweise im Kolben und Zylinderkopf angeordneten Brennräumen Anwendung finden.
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Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht noch darin, daß an Stelle
mehrerer Kraftstoffstrahlen nur ein einziger Kraftstoffstrahl angewendet werden
kann. In diesem Fall kann ein relativ großes Düsen-Spritzloch verwendet werden,
bei dem im Gegensatz zu mehreren kleinen Spritzlöchern keine Gefahr der Verkokung
besteht. Dies wirkt sich besonders bei kleineren Motoreinheiten in Anbetracht ihrer
gedrängten Bauart günstig aus.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung zusammen mit noch anderen kennzeichnenden
Merkmalen schematisch dargestellt.
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F i g. 1 zeigt eine Einspritzbrennnkraftmaschine mit einer Vorkammer
1, die mit dem Arbeitszylinder 2 durch einen Übertritttskanal 3 verbunden ist. Der
übertrittskanal3 hat in radialer Richtung verlaufende, einander gegenüberliegende
Ausweitungen 4. Der flüssige Kraftstoff wird bei diesem Ausführungsbeispiel durch
eine in Abhängigkeit von der Kolbenbewegung jeweils in Richtung ihrer Längsachse
verschiebbare Einspritzdüse 5 auf die Wandung des übertrittskanals reflexionsfrei
aufgespritzt, so daß sich ein Kraftstoffilm bildet. Die entsprechend den jeweiligen
Erfordernissen bemessene Spritzstrecke ist mit a bezeichnet. Die obere und untere
Aufspritzstellung der Einspritzdüse ist strichtpunktiert. Aus dem Längsschnitt der
F i g. 1 und dem dazugehörigen Querschnitt in F i g. 2 gemäß Linie II-II der F i
g. 1 ist zu ersehen, daß der eine Teil der
Kraftstsoffstrahlen,
die mit 6 bezeichnet sind, nur eine kurze Entfernung bis zur Wandung des übertrittskanals
zurückzulegen hat und daher zur Bildung eines Kraftstoffilms an der betreffenden
Wandung des Übertrittskanals geeignet ist. Im vorliegenden Fall sind die Kraftstoffstrahlen
schräg nach unten gerichtet und treffen in einem spitzen Winkel reflexionsfrei auf
die Wandung des übertrittskanals auf. Der andere Kraftstoffanteil der mit 7 bezeichneten
Kraftstoffstrahlen ist gegen die beiden Ausweitungen 4 gerichtet, so daß der Kraftstoff
in der Verbrennungsluft unmittelbar zerstäubt wird. Das Zerstäuben des Kraftstoffstrahles
kann jedoch auch so durchgeführt werden, daß man den Kraftstoffstrahl in einem solchen
Winkel gegen die Wandungsfläche 8 richtet, daß ein Rückprallen erfolgt. Es können
auch besondere Rückprallflächen angeordnet werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach F ig . 3 mit dem dazugehörigen Schnitt
des übertittskanals gemäß F i g. 4 nach Linie IV-IV der F i g. 3 ist nur eine einzige,
und zwar wiederum in radialer Richtung verlaufende Ausweitung 4 vorgesehen. Der
Brennraum 9 ist als Wirbelkammer ausgebildet. Auch hier sind Kraftstoffstrahlen
6, 7 mit verschiedenen Richtungen vorgesehen.
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Bei dem in F i g. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Brennraum
ebenfalls als eine Wirbelkammer 9 ausgebildet. Der übertrittskanal 3 weist hier
jedoch keine Ausweitungen auf. Der luftverteilte Kraftstoffanteil des Kraftstoff-Luft-Gemisches
kommt hierbei dadurch zustande, daß mindestens einer der Kraftstoffstrahlen 10 -
hier der Kraftstoffstrahl 10' - bei seiner Axialbewegung an der Mündung des übertrittskanals
3 in den Brennraum 9 vorbeigeführt wird und so den Brennraum durchdringt.
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Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele haben sich auf die
Anwendung einer in Richtung der Düsen-Längsachse verschiebbare Einspritzdüse bei
einem im Zylinderkopf angeordneten Brennraum bezogen. Bei Verwendung einer verdrehbaren
Einspritzdüse muß mindestens für einen Teil der Brennraumwandung eine Form gewählt
werden, die dem eine Drehbewegung ausführenden Kraftstoffstrahl angepaßt ist, also
eine ebene, vollständige oder Teilkreisfläche oder eine Kegelmantelfläche mit der
Achse der Einspritzdüse als Drehachse. Die zum Ablösen des Kraftstoffes erforderliche
intensive Luftströmung kann dabei entweder in an sich bekannter Weise erfolgen oder
erfindungsgemäß dadurch, daß der übertrittskanal vom Arbeitszylinder zur Vorkammer
durch die in diese eindringende Einspritzdüse zeitweilig verengt und so eine intensive
Luftströmung erzeugt wird, die auf die mit Kraftstoff benetzte Wandungsfläche bzw.
Brennraumwandung geleitet wird.
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Die filmartige Kraftstoffauftragung durch eine in Richtung der Düsen-Längsachse
verschiebbare oder eine verdrehbare Einspritzdüse ist aber auch bei einem im Kolben
einer Einspritzbrennkraftmaschine angeordneten Brennraum anwendbar, wie dies an
den folgenden Ausführungsbeispielen verwirklicht ist. Bei der in F i g. 6 im Schnitt
und in F i g. 7 in Draufsicht dargestellten Ausführung ist ein rotationskörperförmiger
Kolbenbrennraum 14 vorgesehen, dessen in den Zylinder einmündende öffnung 15 eingeschnürt
ist und eine exzentrisch zur Brennraummitte und lotrecht oder schräg angeordnete
Einspritzdüse 5 aufweist. Hier wird die Einspritzdüse an einem abgeflachten Teil
12 der Brennraumwand vorbeigeführt; sie beginnt erst im Bereich ihrer unteren Totpunktstellung
zu spritzen. Die Entfernung der Düsenmündung 13 von der Brennraumwand kann trotz
der gegenseitigen Bewegung des Kolbens und der Einspritzdüse gleichmäßig gehalten
werden und ist zweckmäßig kurz bemessen. Die Ablösung des Kraftstoffilms von dem
abgeflachten Teil 12 erfolgt in bekannter Weise durch die in den Brennraum
14 einströmende Luft. Auch hier findet durch das Eindringen der Einspritzdüse 5
in die öffnung 15 eine die Luftströmung beschleunigende Querschnittsverengung statt.
Der luftverteilte Kraftstoffanteil ergibt sich entweder beim Spritzbeginn, wenn
der Kolben 11 noch so weit von seinem oberen Totpunkt entfernt ist, daß die Einspritzung
in den Arbeitszylinder erfolgt, oder beim Einspritzende, wenn der Kolben vom oberen
Totpunkt wieder so weit entfernt ist, daß der abgeflachte Teil 12 nicht mehr vom
Kraftstoffstrahl getroffen wird. Eine weitere Möglichkeit, den luftverteilten Kraftstoffanteil
zu erzeugen, besteht noch darin, in der Fläche des Kolbenbrennraumes, die von der
Einspritzdüse bestrichen wird, entweder eine genügend große Vertiefung oder statt
dessen eine Rückprallfläche vorzusehen oder an der Stirnseite der Einspritzdüse
eine besondere Spritzöffnung anzuordnen, die in Achsrichtung der Einspritzdüse spritzt,
so daß also zu jedem gewünschten Zeitpunkt während der Einspritzdauer eine Luftverteilung
des Kraftstoffes in beliebigem Verhältnis stattfinden kann.
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Bei der in F i g. 8 im Schnitt und in F i g. 9 in Draufsicht gezeichneten
Ausführung bewegt sich die Einspritzdüse parallel zur Längsachse des Kolbens. Bei
diesem Ausführungsbeispiel ist es, wie ersichtlich, nicht nötig, daß sich die Einspritzdüse
während der ganzen Einspritzdauer bewegt. Es genügt, wenn sich die Einspritzdüse
bis zu einem bestimmten Punkt bewegt und dann während der restlichen Spritzdauer
stehenbleibt. Da sich der Kolben beim Aufwärtshub auf die Einspritzdüse zubewegt,
kann trotzdem eine große Spritzstrecke b erreicht werden. Zur Erzeugung der den
Kraftstoff von der Brennraumwand ablösenden Luftströmung ist auf dem Boden des Kolbens
11 zusätzlich ein an sich bekannter Einlaufkanal 16 vorgesehen. Für den luftverteilten
Kraftstoffanteil gilt dasselbe wie beim vorhergehenden Ausführungsbeispiel.
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An den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen von im Kolben angeordneten
Brennräumen ist dargelegt, wie die Kraftstoffwandauftragung mittels einer in Richtung
der Düsen-Längsachse verschiebbaren Einspritzdüse erfolgt. Bei dem in F i g. 10
im Schnitt gezeichneten Brennraum wird der flüssige Kraftstoff während einer Drehbewegung
der Einspritzdüse auf die Brennraumwandung aufgebracht. Die Einspritzdüse 5 führt
außerdem eine Hin- und Herbewegung in Richtung ihrer Längsachse aus, die während
der Einspritzdauer zweckmäßig mit der Kolbenbewegung übereinstimmt, so daß sich
die Lage der Einspritzdüse relativ zur Brenuraumwandung nicht verändert. Um die
für die Wandauftragung des Kraftstoffes günstige kurze Entfernung 18 zwischen der
Düsenmündung und der Brennraumwandung zu erhalten, liegt die Einspritzdüse 5 exzentrisch
zur Mitte des Brennraumes 17, so daß die Düsenmündung während einer ganzen Umdrehung
der
Einspritzdüse Strecken kleinster und größter Wandentfernung bestreicht. Diese Anordnung
gestattet, im Bereich der größten Entfernung der Düsenmündung von der Brennraumwandung,
welcher mit 19 bezeichnet ist, den luftverteilten Kraftstoffanteil zu erzeugen.
Eine andere Möglichkeit, für die Wandauftragung eine verhältnismäßig kurze Einspritzstrahllänge
und für den luftverteilten Kraftstoffanteil eine verhältnismäßig große Strahllänge
zu erhalten, besteht darin, bei einer zentrisch zur Einmündung angeordneten Einspritzdüse
in der Wandung der Einmündung zum Brennraum radiale Ausnehmungen vorzusehen (ähnlich
wie in F i g. 2), in welchen der Kraftstoff in der Luft zerstäubt wird.
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Bei den dargestellten Ausführungen und bei entsprechender Anwendung
bei Brennräumen anderer Gestaltung kann das Verhältnis des durch Filmablösung gebildeten
zu dem durch Luftzerstäubung entstehenden Gemisches in beliebiger Weise gewählt
werden. Der Kraftstoff kann, statt wie dargestellt, auch in Form eines kegelförmigen
Schleiers aus der Einspritzdüse .austreten. Ebenso ist es möglich, den Spritzvorgang
während der axialen Bewegung an beliebiger Stelle zu unterbrechen. Ferner besteht
die Möglichkeit, die Axialbewegung veränderlich zu gestalten. Die Luftgeschwindigkeit
der durch den übertrittskanal gepreßten Verbrennungsluft kann durch entsprechende
Bemessung des Durchmessers und der Formgebung der Einspritzdüse, die beim Eintritt
in den übertrittskanal als Verdränger wirkt, in weiten Grenzen geregelt werden.
Die Wandung des Übertrittskanals braucht nicht unbedingt parallel zur Längsachse
der Einspritzdüse zu verlaufen, sondern z. B. so, daß sich der Übertrittskanal in
Richtung Brennraum geradlinig oder kurvenförmig verjüngt oder erweitert. Bei Anordnung
des Brennraumes im Kolben braucht das Einspitzen des Kraftstoffes nicht unbedingt
während der ganzen Axialbewegung der Einspritzdüse zu erfolgen, sondern z. B. nur
in ihrer unteren Lage, da ja infolge der Kolbenbewegung an sich schon ein Teil der
Brennraumwandung der Länge nach bestrichen wird.