DE1245208B - Self-igniting, air-compressing reciprocating piston injection internal combustion engine - Google Patents
Self-igniting, air-compressing reciprocating piston injection internal combustion engineInfo
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Description
Selbstzündende, hiftverdichtende Hubkolben-Einspritzbrennkraftmaschine Die Erfindung bezieht sich auf eine selbstzündende, luftverdichtende Hubkolben-Einspritzbrennkraftmaschine mit einem rotationskörperförinigen Brennraum, um dessen Längsachse die Verbrennungsluft eine starke Drehbewegung ausführt und auf dessen Wand der Brennstoff in Richtung der drehenden Luft aufgespritzt wird. Hierbei wird von einem bekannten Einspritz- und Gemischbildungsverfahren ausgegangen, bei dem der Brennstoff aus einer im Zylinderkopf angeordneten Einspritzdüse als dünner Film auf die Wandung des Brennraumes aufgebracht und zugleich der einströmenden Luft eine solche Drehbewegung erteilt wird, daß hierdurch der Brennstoff in Dampfform von der Brennraumwandung allmählich abgelöst, mit der Luft vermischt und verbrannt wird.Self-igniting, lift-compression reciprocating piston injection internal combustion engine The invention relates to a self-igniting, air-compressing reciprocating piston injection internal combustion engine with a rotational body-shaped combustion chamber, around the longitudinal axis of which the combustion air executes a strong rotating movement and on the wall of the fuel in the direction the rotating air is sprayed on. A well-known injection and mixture formation process assumed in which the fuel from one in the cylinder head arranged injection nozzle as a thin film on the wall of the combustion chamber and at the same time the inflowing air is given such a rotary motion that it thereby the fuel is gradually detached in vapor form from the combustion chamber wall, with the Air is mixed and burned.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Kaltstart der hier vorausgesetzten Brennkraftmaschine zu verbessern, ferner die Selbstzündung zu unterstützen, wie auch den Verbrennungsablauf zu beschleunigen und den Ausstoß an schädlichen Ab- gasinhaltsstoffen möglichst gering zu halten.The invention has for its object to improve the cold start of the prerequisite here the internal combustion engine, and also to support the self-ignition to speed as well as the combustion process and the emission of harmful exhaust gas content materials as low as possible.
ZurLösung dieserAufgaben wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß in an sich bekannter Weise in dem Brennraum ein im wesentlichen ringföriniger, radiale Arme aufweisender Einsatzkörper angeordnet ist und daß der Einsatzkörper parallel zur Wand des Brennraumes aufgehängt ist und daß die Symmetrieachse des Einsatzkörpers mit der Drehachse des Luftwirbels übereinstimmt und eine Teilmenge des Brennstoffes auf den ringförinigen Teil des Einsatzkörpers aufgespritzt wird.To solve these problems, it is proposed according to the invention that in In a manner known per se, an essentially annular, radial one in the combustion chamber Insert body having arms is arranged and that the insert body is parallel is suspended to the wall of the combustion chamber and that the axis of symmetry of the insert body coincides with the axis of rotation of the air vortex and a subset of the fuel is sprayed onto the annular part of the insert body.
Bekanntlich bewirken die sich während des Anlaßvorganges periodisch wiederholendenTemperatur-Gasdruck- und Gasgeschwindigkeitsverhältnisse, daß der Einsatzkörper beim Anlassen der Maschine bereits nach einigen Umdrehungen relativ schnell aufgeheizt wird. Wenn nun der Brennstoff kurz vor Erreichen des oberen Kolbentotpunktes in den Brennraum eingespritzt wird, bewirkt das im Einsatzkörper gespeicherte Wärmepotential eine spontane Initialzündung und somit bereits bei niedriger Brennraumwand- und Außentemperatur die gewünschte Beschleunigung des Anlaßvorganges unter weitgehender Vermeidung einer Abgastrübung. Da die Temperatur des Einsatzkörpers und damit auch dessen Wännestrahlung im Teillast- und Vollastbereich der Maschine ansteigen, wird der Ablauf der Reaktionen während des eigentlichen Verbrennungsvorganges wesentlich beschleunigt, was bei den heutzutage angewendeten schnellaufenden Einspritzbrennkraftmaschinen von besonderer Bedeutung und somit besonderem Vorteil ist. Hinzu kommt noch, daß durch einen derartig geforinten und angeordneten Einsatzkörper keine nennenswerte aerodynamische Beeinflussung der während des Arbeitsprozesses auftretenden Luft- und Gasströmungen auftritt. Der Brennstoffstrahl weitet sich zu Beginn der Brennstoffeinspritzung bekanntlich kegelig aus; er trifft mit einem im voraus bestimmbaren Strahl-Randteil auf die Innenfläche des Einsatzkörpers auf, wobei dieser Brennstoffanteil unter der Wirkung der gerichteten Luftströmung an der Innenfläche des Einsatzkörpers entlang geführt wird. Diese Brennstofftröpfchen bzw. der Brennstoffnebel unterliegen so teilweise einer Vorreaktion; sie kommen dann nach einem auf diese Weise verkürzten Zündverzug zur Zündung, worauf die Zünduno, des übriaen wandaufcetra-enen Brennstoffanteiles, d. h. des von der Brennraumwand aufgedampften Brennstoffanteiles eingeleitet wird.It is known that the temperature, gas pressure and gas velocity conditions which are repeated periodically during the starting process mean that the insert body is heated up relatively quickly after a few revolutions when the machine is started. If the fuel is injected into the combustion chamber shortly before piston top dead center is reached, the heat potential stored in the insert causes a spontaneous initial ignition and thus the desired acceleration of the starting process even at low combustion chamber wall and outside temperatures while largely avoiding exhaust gas opacity. Since the temperature of the insert and thus its heat radiation increase in the partial load and full load range of the machine, the course of the reactions is significantly accelerated during the actual combustion process, which is of particular importance and therefore a particular advantage in the high-speed internal combustion engines used today. In addition, an insert body shaped and arranged in this way does not have any significant aerodynamic influence on the air and gas flows occurring during the work process. As is known, the fuel jet expands conically at the beginning of the fuel injection; it strikes the inner surface of the insert body with a jet edge part that can be determined in advance, this fuel portion being guided along the inner surface of the insert body under the effect of the directed air flow. These fuel droplets or the fuel mist are thus partially subject to a pre-reaction; they then come to ignition after an ignition delay shortened in this way, whereupon the ignition, the remaining wall-mounted fuel component, i.e. H. of the fuel portion evaporated from the combustion chamber wall is introduced.
Als Werkstoff für diesen Einsatzkörper ist ein hochwarmfester Stahl mit einer zwischen 700 und 9000 C liegenden Temperaturfestigkeit geeignet. Dadurch ist die Betriebssicherheit bei gleichzeitig zulässiger elastischer Verformmöglichkeit gewährleistet.A high-temperature steel with a temperature resistance of between 700 and 9000 C is suitable as the material for this insert body. This ensures operational safety while at the same time permitting the possibility of elastic deformation.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird noch vorgeschlagen, daß auf den rin-förinigen Einsatzkörper ein oder mehrere an sich bekannte Katalysatoren, vorzugsweise in Bandforin aufgebracht sind. Dadurch ist es möglich, daß immer ein für die Wirksamkeit eines geeigneten Katalysators optimales Temperaturfeld bereitgehalten und ferner auch ein gewisser Selbstreinigungseffekt ausgenutzt werden kann. Außerdem kann durch solche Katalysatoren die Ab- gasqualität, und zwar das Vorhandensein von in Spuren vorkommenden, die Gesundheit beeinträchtigenden Verbindungen wie Benzypren oder Perylen verbessert werden.In a further embodiment of the invention, it is also proposed that one or more catalysts known per se, preferably in strip form, be applied to the insert body. This makes it possible to always keep a temperature field that is optimal for the effectiveness of a suitable catalyst and also to utilize a certain self-cleaning effect. In addition, the exhaust gas can quality by such catalysts, namely the presence of occurring in traces, adverse health compounds such as perylene or Benzypren be improved.
Was den vorbekannten Stand der Technik hinsichtlich der Verwendung eines Einsatzkörpers anbelangt, wurde bei einer Vorkammer-Diesehnaschine vorgeschlagen, am übergang zwischen dem Hubraum und dem Brennraum einen siebartig gelochten, streifenförmigen Einsatz zu befestigen. Bei diesem Einsatz handelt es sich jedoch um einen ausgesprochenen Heizeinsatz, damit der hier verwendete Schwerbrennstoff, wie Steinkohlenteeröl, leichter gezündet werden kann. Außerdem soll hier im Gegensatz zum Anmelduncrsgegenstand ein Auftreffen von Brennstoffteilchen auf den Einsatz gerade vermieden werden, da nach Ansicht des Erfinders des deutschen Patentes sonst der Einsatz ständig gekühlt wird und Zersetzungserscheinungen des Brennstoffes eintreten, die zu schädlichen Ablagerungen führen. Irgendwelche Anregungen zur übertragung der einen oder anderen Maßnahme auf den Anmeldungsgegenstand sind demnach in der bekannten Druckschrift nicht enthalten.As for the prior art in terms of use as far as an insert body is concerned, it has been proposed in an antechamber diesel machine, at the transition between the cubic capacity and the combustion chamber a sieve-like, perforated, strip-shaped To attach insert. However, this mission is an outspoken one Heating insert so that the heavy fuel used here, such as coal tar oil, can be ignited more easily. In addition, in contrast to the subject of the application an impact of fuel particles on the insert can be avoided because otherwise, according to the inventor of the German patent, the insert is constantly cooled and decomposition phenomena of the fuel occur, which are harmful Lead to deposits. Any suggestions on transferring one or the other Measures on the subject of the application are therefore in the known publication not included.
Des weiteren ist eine Einspritzbrennkraftmaschine bekanntgeworden, in deren im Zylinderkopf liegendem Verbrennungsraum ein ringförmiger, mit radialen Armen ausgerüsteter Einsatzkörper untergebracht ist. Jedoch ist hier die Lage dieses Einsatzkörpers so zur Einspritzdüse gewählt, daß der Auftreffwinkel des Brennstoffes auf die Flächen des Ringes durchgehend etwa 901 C beträgt. Durch das Auftreffen des von einem mittleren Teil des Einsatzkörpers abgelenkten Brennstoffes auf den ringförmigen Teil soll der Brennstoff teils fein zerstäubt, teils verdampft werden. Dadurch soll eine vollständige Verinischung von Brennstoff und Luft erreicht werden.Furthermore, an internal combustion engine has become known, in the combustion chamber of which is located in the cylinder head an annular insert body equipped with radial arms is housed. However, the position of this insert body in relation to the injection nozzle is chosen so that the angle of impact of the fuel on the surfaces of the ring is approximately 901 ° C. throughout. When the fuel deflected by a central part of the insert body hits the ring-shaped part, the fuel is intended to be partly finely atomized and partly evaporated. This is intended to achieve complete mixing of fuel and air.
Schließlich ist eine selbstzündende, luftverdichtende Brennkraftmaschine mit Brennstoffeinspritzung in einen im Kolben angeordneten Brennraum bekanntgeworden, in dem ein der Form des Brennstoffstrahles angepaßter, im Betrieb sich erwärmender Einsatzkörper angebracht ist, der den Brennstoff mindestens teilweise zur Verdampfung bringt. Zwar sollen durch den bekannten Einsatzkörper ebenso wie beim Anmeldungsgegenstand der Zündverzug verkürzt und günstige Kaltstartwerte erreicht werden; jedoch bestehen hinsichtlich des Aufbaues und der Anordnung dieses Einsatzkörpers gegenüber dem Anmeldungsgegenstand wesentliche Unterschiede. Hier liegt nämlich der Einsatzkörper quer zur Quetschluftströmung; er bietet also der Luftströmung einen Widerstand und ist daher, aerodynamisch gesehen, nachteilig. Außerdem bilden sich auf der der Luftströmung abgekehrten Seite des Einsatzkörpers Luftwirbel. In beiden Fällen werden dadurch die Gemischbildung und der Verbrennungsablauf ungünstig beeinflußt. Dies umso mehr, alsbeidembekanntenMotor eine unmittelbare Brennstoff-Luft-Vermischung vorgesehen ist, die dann unregelmäßig über das Brennraumvolumen verteilt wird und eine schlechte Verbrennung ergibt. Darüber hinaus fehlen bei der bekannten Brennkraftmaschine der Gedanke wie auch die Möglichkeit, den für das Anspritzen des Einsatzkörpers in Aussicht genommenen Brennstoffanteil durch eine entsprechende Foringebung und Anordnung des Einsatzkörpers vorher festzulegen.Finally, there is a self-igniting, air-compressing internal combustion engine became known with fuel injection into a combustion chamber arranged in the piston, in which one is adapted to the shape of the fuel jet and warms up during operation Insert body is attached, the fuel at least partially for evaporation brings. It is true that the known insert body as well as the subject of the application should the ignition delay is shortened and favorable cold start values are achieved; however exist in terms of the structure and arrangement of this insert body compared to the Registration subject significant differences. The insert body is located here across the squeeze air flow; it therefore offers resistance to the flow of air and is therefore disadvantageous from an aerodynamic point of view. They also form on top of the air flow remote side of the insert body air vortex. In both cases this will result the mixture formation and the combustion process unfavorably influenced. All the more so as in the known engine, direct fuel-air mixing is provided which is then distributed irregularly over the combustion chamber volume and a bad one Combustion results. In addition, the known internal combustion engine lacks the Thought as well as the possibility for the injection of the insert body in prospect taken fuel fraction by a corresponding specification and arrangement of the Specify insert body beforehand.
Die Erfindung ist in der Zeichnung am Beispiel einer Einspritzbrennkraftmaschine mit einem im Kolben angeordneten rotationskörperförmigen Brennraum schematisch dargestellt. Es zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch die Mitte eines Kolbenbrennraumes, F i g. 2 einen Querschnitt durch die Brennraummitte und die Mitte des Einsatzkörpers gemäß Schnitt II-II der F i g. 1, und F i g. 3 die ebene Abwicklung eines zwischen zwei Halterungen gelegenen Ringsektorelementes mit kurvenmäßiger Wiedergabe des Temperaturverlaufes.The invention is shown schematically in the drawing using the example of an injection internal combustion engine with a rotational body-shaped combustion chamber arranged in the piston. It shows F i g. 1 shows a longitudinal section through the center of a piston combustion chamber, FIG . 2 shows a cross section through the middle of the combustion chamber and the middle of the insert body according to section II-II of FIG. 1, and F i g. 3 the planar development of a ring sector element located between two brackets with a curve representation of the temperature profile.
In F i g. 1 und 2 sind mit 1 der Kolben und mit 2 die Einspritzdüse bezeichnet, von deren Düsenmündung 3 ausgehend der kegelförmige Brennstoffstrahl 4 mit Achse 5 auf die Wand 6 des in diesem Fall kugelförmigen Brennraumes 7 gerichtet ist.In Fig. 1 and 2, 1 denotes the piston and 2 denotes the injection nozzle, from the nozzle mouth 3 of which the conical fuel jet 4 with axis 5 is directed onto the wall 6 of the combustion chamber 7, which is spherical in this case.
Koaxial in diesen Brennraum 7 ist ein ringförmiger Einsatzkörper 8 mittels der Halterungen 9, 10-,711 und 12 aufgehängt, wobei dieser ringförtnige Körper im Querschnitt schmal gehalten ist und beispielsweise eine erhabene Außenfläche 13 und eine plane Innenfläche 14 aufweist. Die Höhe dieses Einsatzkörpers 8 ist mit 15 und dessen größte Wandstärke mit 16 benannt. Der eingeschnürte Brennraumhals ist mit 17 bezeichnet, während am Boden des Brennraumes 7 eine pyramidenförmige Erhöhung 18 zur Luftumlenkung vorgesehen ist.An annular insert body 8 is suspended coaxially in this combustion chamber 7 by means of brackets 9, 10-, 711 and 12, this annular body being kept narrow in cross section and having, for example, a raised outer surface 13 and a flat inner surface 14. The height of this insert body 8 is designated with 15 and its greatest wall thickness with 16 . The constricted neck of the combustion chamber is denoted by 17 , while a pyramidal elevation 18 is provided on the bottom of the combustion chamber 7 for deflecting air.
Wie aus den Darstellungen gemäß F i g. 1 und 2 ersichtlich ist, weitet sich der Brennstoffstrahl 4 nach dem Verlassen der Einspritzbohrung 3 in bekannter Weise kegelfönnig aus. Hierbei wird ein Segment des Strahlkegels mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt von dem aufgehängten Einsatzringkörper abgeschält. Es werden dabei die Brennstoffteilchen, die größenordnungsmäßig etwa 5 bis 10% der eingespritzten Brennstoffmenge ausmachen, über die Innenfläche14 des Einsatzkörpers8, und zwar in einer eine Steigung von erfahrungsgemäß 1 - 7 bis 1: 10 aufweisenden Schraubenbahn geleitet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel des Einsatzkörpers würde sich ein Brennstoffteilchen etwa einmal über den inneren Umfang des Ringes bewegen und dabei infolge der vier Halterungen 9, 10, 11 und 12, die wärmeableitend und damit als Temperatursenken wirken, viermal Zonen höherer und tieferer Temperaturen durchlaufen.As can be seen from the representations according to FIG. 1 and 2, the fuel jet 4 expands in a known manner in a conical shape after leaving the injection bore 3. Here, a segment of the jet cone with an essentially circular cross section is peeled off from the suspended insert ring body. There are in this case the fuel particles, the order of magnitude of about 5 make up to 10% of the quantity of fuel injected on the Innenfläche14 of Einsatzkörpers8, in a a gradient of experience has shown that 1-7 to 1: passed 10 having helical path. In the illustrated embodiment of the insert body, a fuel particle would move about once over the inner circumference of the ring and pass through zones of higher and lower temperatures four times due to the four brackets 9, 10, 11 and 12, which dissipate heat and thus act as temperature sinks.
Zur Veranschaulichung dieser Temperaturzonen dient die F i g. 3. Bisher wurde dargelegt, wie die Temperatur des ringförmigen Einsatzkörpers 8 während des Anlassens der Maschine angehoben wird. Diese Temperaturerhöhung findet bei Selbstlauf des Motors, d. h. unter Teillast und Vollast, in erhöhtem Maße statt. Hierbei spielt der Temperaturverlauf des Temperaturspektrums, das in die Darstellung der F i g. 3 noch eingezeichnet ist, eine bedeutende Rolle.FIG. 1 serves to illustrate these temperature zones. 3. So far it has been explained how the temperature of the annular insert body 8 is raised during the start-up of the machine. This temperature increase takes place when the engine is running, i. H. under part load and full load, to an increased extent. The temperature profile of the temperature spectrum, which is shown in the illustration of FIG. 3 is still drawn in, plays an important role.
In F i g. 3 ist wieder bei 1 der Kolben angedeutet, während mit 10 und 11 zwei benachbarte Halterungen benannt sind, zwischen denen der in einer Ebene abgewickelte mittlere Teil eines Sektorelementes des ringförmigen Einsatzkörpers 8 erkennbar ist. Mit 6 ist die Wand des Brennraumes 7 wiedergegeben. Die verschiedenen Temperaturen bei den verschiedenen Lastzuständen sind durch Kurven veranschaulicht, und zwar zeigt die Kurve a den Temperaturverlauf beim Anlaßvorgang, die Kurve b die Temperaturverhältnisse bei Leerlauf und die Kurve c die Temperatur bei Vollast.In Fig. 3 , the piston is again indicated at 1 , while 10 and 11 designate two adjacent holders, between which the middle part of a sector element of the annular insert body 8 , which is developed in one plane, can be seen. With 6 the wall of the combustion chamber 7 is shown . The different temperatures at the different load conditions are illustrated by curves, namely curve a shows the temperature profile during the starting process, curve b the temperature conditions at idle and curve c the temperature at full load.
Es ist erkennbar, daß sich höhere Temperaturen in der Mitte zwischen zwei Halterungen des Einsatzkörpers, dagegen tiefere Temperaturen bei jeder dieser Halterungen einstellen. Wie die mittleren Temperaturen des Einsatzkörpers, so sind auch die Temperaturdifferenzen lastabhängig und lassen sich beispielsweise durch die Anzahl, durch die Werkstoffart wie auch durch die Abmessungen der Halterungen 9 bis 12 und ferner durch den Umfano, und den Querschnitt des ringförmigen Einsatzkörpers 8 bestimmen.It can be seen that higher temperatures are set in the middle between two holders of the insert body, while lower temperatures are set in each of these holders. Like the average temperatures of the insert body, the temperature differences are also load-dependent and can be determined, for example, by the number, the type of material and the dimensions of the brackets 9 to 12 and also by the circumference and the cross section of the annular insert body 8 .
Wie beim Anlaßvorgang, so tritt nun der Bren-nstoffstrahl aus derEinspritzdüse aus und einbestimmter Teil des entstehenden Brennstoffnebelkeaels wird in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel von dem Ring abgeschält, in Schraubenbahn über die Innenfläche des Ringes geleitet, wo selbst die Brennstofftröpfchen zum Teil einer Vorreaktion unterliegen, gegebenenfalls durch die aufgetragene Kontaktmasse aktiviert werden und schließlich nach einem auf diese Weise verkUrzten Zündverzug zur Zündung kommen. Danach wird die Zündung des übrigen Brennstoffteiles eingeleitet.As with the starting process, the fuel jet now emerges from the injection nozzle and a certain part of the resulting fuel mist becomes in the here Embodiment shown peeled off the ring, in a screw path over the Inner surface of the ring, where even the fuel droplets are part of a Subject to pre-reaction, possibly activated by the applied contact compound and finally after an ignition delay shortened in this way come. Then the ignition of the rest of the fuel is initiated.
Durch die dem Einsatzkörper anhaftende Anpassungsfähigkeit ist es möglich, die Zündung und nachfolgende Verbrennung makromolekularer Kohlenwasserstoffe sowohl durch Steuerung der Vorreaktionen als auch hochklopffester Kraftstoffe mit hohem Aromaten- und Benzolgehalt und/oder TEL-Gehalt, (welch letztere auf die als Bleigehalt bezeichnete Beimischung von Bleitetraäthyl zu Kohlenwasserstoffen zwecks Erhöhung der Klopffestigkeit zurückgeht), durch Aktivierung mittels geeigneter Kontaktmassen in positivem Sinne zu beeinflussen. Gleichermaßen wird es so möglich, die durch die geforderte Vielstoffeigenschaften notwendigen hohen Kompressionsverhältnisse herabzusetzen und diesich daraus ergebenden Vorteile, z. B. der besseren Luftausnutzung, der leichteren Bauweise u. a. m. zu erlangen.Because of the adaptability inherent in the insert body, it is possible the ignition and subsequent combustion of macromolecular hydrocarbons by controlling the pre-reactions as well as highly knock-resistant fuels high aromatic and benzene content and / or TEL content, (which latter refers to the as Admixture of tetraethyl lead to hydrocarbons for the purpose of Increase of the knock resistance decreases), by activation by means of suitable contact masses to influence in a positive sense. Likewise, it becomes so possible through that the required high compression ratios and the advantages resulting therefrom, e.g. B. better air utilization, the lighter construction, among other things. m. to attain.
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