DE1247060B - Luftverdichtende Einspritzbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

• Luftverdichtende Einspritzbrennkraftmaschine Die Erfindung betrifft eine luftverdichtende Einspritzbrennkraftmaschine mit einem kegelstumpfförmigen Brennraum, der mit dem Zylinderraum durch eine von einer der kreisförmigen Endflächen gebildete Öffnung in Verbindung steht und in oberer Totlage des Kolbens nahezu die gesamte Verbrennungsluft aufnimmt, dessen Achse in oder parallel zu der Zylinderachse verläuft und an dessen Ende mit dem kleinsten Querschnitt eine Einspritzvorrichtung angeordnet ist, welche den Kraftstoff symmetrisch zur Kegelachse und entlang der Brennraumwand auf den Kegelmantel aufspritzt, welcher frei von Durchbrechungen ist.
• Bei den Verbrennungskraftmaschinen mit Luftverdichtung wird der Kraftstoff entweder in der Luft verteilt oder auf die Brennraumwandung aufgespritzt. Die Vorteile der Wandauftragung sind bekannt. Bei diesem System unterscheidet man zwei Stufen bei der Kraftstoffverteilung und -aufbereitung. Zunächst muß der Kraftstoff aufgebracht und auf der Wand verteilt werden. Dabei wird angestrebt, eine möglichst große Fläche zu benetzen. Das Optimum wird bei einer vollständig bedeckten Brennraumwand erzielt. Die zweite Stufe ist der Abtransport des Kraftstoffdampfes von der Wand und die Zuführung von frischer Verbrennungsluft zur Aufbereitung eines brennbaren Gemisches. Hierzu benötigt man eine Luftbewegung. Die Erzeugung einer wilden Turbulenz ist für das Abtragen des Kraftstoffdampfes, eine einwandfreie Vermischung und Verbrennung weniger geeignet. Die beste Methode ist die Erzeugung einer Luftdrehung um die Brennraumachse, also einer exakt gesteuerten Luftbewegung, denn dabei erfolgt der Transport der Kraftstoffdampfpartikeln von der Wand weg zur Brennraummitte hin auf Bahnen, die durch die Gesetze der Strömungsmechanik und der Kinematik beherrscht werden. Dabei werden, wenn nicht die gesamte Brennraummantelfläche von Kraftstoffilm bedeckt ist, nicht alle Gebiete der Verbrennungsluft vom Kraftstoffdampf erreicht. Es bleiben also Luftteile zurück, die nicht zur Verbrennung beitragen, wodurch die auf den Luftdurchsatz bezogene Leistung, d. h. der maximale Mitteldruck des Motors, reduziert wird. Die Gesetzmäßigkeiten der Verteilung des Kraftstoffdampfes sind erst durch neuere Forschungsarbeiten bekanntgeworden und wurden früher nicht beachtet.
• Bei einer bekannten Anordnung erzeugt man im Brennraum eine exakte Luftdrehung und spritzt in Richtung der Luftbewegung oder ein wenig geneigt dazu auf die Wand. Die angestrebte große Benetzungsfläche verwirklicht man hier mit Hilfe der sich drehenden Luft, die infolge Oberflächenreibung den Kraftstoffilm mitreißt und so für eine bessere Ausbreitung über die Brennraumwand sorgt. Jedoch bleiben bei diesem System unbenetzte Stellen an der Wand zurück. Die Zuhilfenahme der Luftbewegung für die Ausbreitung des Kraftstoffilms hat hier einen weiteren Nachteil.
• Bei den Verfahren der Wandauftragung des Kraftstoffes ist es für die Verdampfung wesentlich, daß dem Film genügend Wärme zugeführt wird, so daß er in der optischen Zeit restlos verdampfen kann. Die Wärmeübertragung an den flüssigen Film erfolgt dabei sowohl von der heißen Wand her als auch von der heißen Verbrennungsluft aus. Für die an den Kraftstoff übergegangene Wärme spielen die Temperaturdifferenzen zwischen Wand und Film bzw. zwischen Luft und Film sowie die Relativgeschwindib keit zwischen Film und Wand und Film und Luft eine Rolle. Spritzt man den Kraftstoff etwa tangential in Richtung oder ein wenig geneigt zur Drehrichtung der Luft auf die Wand, so ändert sich die Relativgeschwindigkeit zwischen Luft und Kraftstoff in Abhängigkeit von Zeit und Weg derart, daß zunächst der Kraftstoff der Luft vorauseilt, bis er die gleiche Geschwindigkeit wie die kreisende Luft hat, d. h., die Geschwindigkeitsdifferenz wird Null, um danach wieder anzusteigen, wobei jedoch jetzt die Luft dem Kraftstoffilm vorauseilt. Damit wird der luftseitige Wärmeübergang an den flüssigen Kraftstoff abhängig von Ort und Zeit. Er besitzt ein Minimum. Die abdampfende Kraftstoffmenge ist also nicht gleichmäßig, was wiederum die Verbrennung beeinflußt.
• Eine andere Brennkraftmaschine mit Wandauftragung des Kraftstoffes benutzt ebenfalls die sich drehende Verbrennungsluft, um den Kraftstoff, der mit Hilfe einer Mehrlochdüse eingespritzt wird, über annähernd die gesamte Kegelfläche zu verteilen. Da es sich hier um einen Brennraum handelt, der mit dem Zylinderraum durch einen Gaskanal verbunden ist, der tangential in den Kegelmantel einmündet, verbleibt ein Sektor in der Nähe des Wanddurchbruchs, der nicht vom Kraftstoff erreicht wird. Zu den Nachteilen der zuerst angeführten Anordnung kommt hier noch dazu, daß die Luftdrehung beim Übergang von der Kompression zur Expansion gestört wird.
• Wiederum andere Vorschläge zielen darauf ab, den Kraftstoff nur auf den unteren Teil des Brennraummantels aufzuspritzen, wobei von manchen Konstrukteuren der Auftreffwinkel der Kraftstoffstrahlen vorgeschrieben wird. In einem Fall spritzt man deshalb auf die untere Zone des Brennraummantels, weil dieses der heißeste Teil der Wandung ist.
• Die günstigsten Verhältnisse erreicht man aber bei Wandauftragung des Kraftstoffes bei einer Brennraumwand, die eine gleichmäßige Temperatur aufweist, so daß an allen Stellen dem Kraftstoffilm wandseitig die gleiche Wärmemenge zugeführt wird und er gleichmäßig verdampft.
• Bei anderen Konstruktionen bringt man zwar den Kraftstoff auf oder in die Nähe der Wand, aber man legt keinen besonderen Wert auf eine exakt gesteuerte Drehbewegung der Luft, sondern man strebt lediglich eine Durchwirbelung zur besseren Vermischung an. Die Luftdrehung hofft man in einigen Fällen durch kleine Gaskanäle, durch die ein Teil der Luft etwa tangential in den Brennraum strömt, dessen Wandung durch diese Kanäle durchbrochen wird, zu erzeugen. Es kommt dabei zur Überlagerung zweier Luftströmungen, die aber nicht zu einer während des gesamten Verdampfungsvorganges des Kraftstoffs stationären Drehbewegung derart, daß die Luft wie eine feste Masse kreist, führen.
• Alle diese Mängel, die den bekannten Konstruktionen anhaften, werden durch die Erfindung beseitigt. Diese beruht auf der Erkenntnis, daß es allein die Aufgabe der Einspritzdüse bzw. -düsen sein sollte, den Kraftstoff ohne Zuhilfenahme der Luft über die gesamte Brennraummantelfläche zu verteilen. Deshalb ist eine Einspritzbrennkraftmaschine gemäß der Erfindung derart ausgebildet, daß die Verbrennungsluft in an sich bekannter Weise eine Drehbewegung um die Kegelachse ausführt und daß die Einspritzvorrichtung den Kraftstoff auf die gesamte Kegelmantelfläche aufträgt.
• Dadurch wird erreicht, daß der Brennraummantel ohne Zuhilfenahme der Luftdrehung vollkommen mit Kraftstoff benetzt wird und eine zusammenhängende Filmfläche entsteht, die sich in Richtung des größeren Durchmessers des Brennraums ausbreitet. Erhält dabei der Brennraummantel in an sich bekannter Weise eine weitgehend gleichmäßige Temperatur, dann ist die Voraussetzung für eine optimale Verdampfung des Kraftstoffs gegeben und eine Rückstandsbildung im Leerlauf verhindert. Der sich um die Brennraumachse drehenden Luft fällt also nur die Aufgabe zu, den Kraftstoffdampf abzutransportieren und Frischluft an die Wand heranzuführen. Die Luftdrehung ist dabei entsprechend abgestimmt. Da außerdem der Brennraum nahezu die gesamte Verbrennungsluft aufnimmt, wird erreicht, daß jedes Frischluftteil, das an die Wand herangebracht wird, Kraftstoffdampf vorfindet, mit dem es sich mischen kann, bis ein zündfähiges Gemisch vorhanden ist, das sich entzündet und zur Brennraummitte hinwandert. Auf diese Weise wird die gesamte Verbrennungsluft mit dem Kraftstoffdampf optimal gemischt, so daß sich der für eine einwandfreie Verbrennung erforderliche Luftaufwand auf seinen kleinsten Wert herabsetzen und ein höherer mittlerer Druck im Zylinder erreichen läßt.
• Die durch die Erfindung angestrebte Wirkung kann durch eine an sich bekannte Anordnung der Einspritzvorrichtung gesteigert werden, die dem Kraftstoffilm einen Drall verleiht. Dadurch wird verhindert, daß sich im Kraftstoffilm Trockenflächen bilden.
• Für große Brennräume ist es vorteilhaft, auf dem engsten Brennraumquerschnitt mehrere Düsen zu verteilen, deren Kraftstoffstrahlen einander so berühren, daß auf dem Brennraummantel ein geschlossener Film entsteht.
• Um mit Sicherheit auch die Frischluft im Wirbelkern des Brennraums zu erfassen, empfiehlt sich ferner, eine Zweistrahldüse zu verwenden, deren einer Strahl in der Brennraumachse, die gleichzeitig Drehachse der Luft ist, liegt und in dieser Richtung wirkt. Mit diesem Strahl wird nur ein kleiner Anteil des gesamten Kraftstoffs eingespritzt.
• An Hand der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise erläutert.
• F i g. 1 zeigt einen sich nach unten erweiternden Brennraum 1 im Zylinderkopf 2 über dem Zylinder 3 einer Brennkraftmaschine. Mit 4 ist die Einspritzdüse bezeichnet, die den Kraftstoff 5 auf den gesamten Brennraummantel verteilt. Schließlich ist durch den Pfeil 6 die Frischluft angedeutet, die um die zentrale Brennraumachse kreist; F i g. 2 zeigt eine ähnliche Ausführungsform. Jedoch liegt hier der Brennraum 1 im Kolben 7, und die Düse 4 bildet einen besonders kräftig gezeichneten mittleren Teilstrahl 8 aus; In F i g. 3 ist der Anmeldungsgegenstand in Draufsicht dargestellt. Sie läßt erkennen, daß im engsten Querschnitt des Brennraums 1 vier Düsen gleichmäßig verteilt sind.
• Bei allen diesen Ausführungsformen wird erreicht, daß der durch die Düse bzw. Düsen 4 eingespritzte Kraftstoff den gesamten Innenmantel des Brennraums 1 beaufschlagt. Eine optimale Ausnutzung des Kraftstoffs wird dadurch gewährleistet.

Claims (1)

1. Patentansprüche: 1. Luftverdichtende Einspritzbrennkraftmaschine mit einem kegelstumpfförmigen Brennraum, der mit dem Zylinderraum durch eine von einer der kreisförmigen Endflächen gebildete öffnung in Verbindung steht und in oberer Totlage des Kolbens nahezu die gesamte Verbrennungsluft aufnimmt, dessen Achse in oder parallel zu der Zylinderachse verläuft und an dessen Ende mit dem kleinsten Querschnitt eine Einspritzvorrichtung angeordnet ist, welche den Kraftstoff symmetrisch zur Kegelachse und entlang der Brennraumwand auf den Kegelmantel aufspritzt, welcher frei von Durchbrechungen ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Verbrennungsluft (6) in an sich bekannter Weise eine Drehbewegung um die Kegelachse ausführt und daß die Einspritzvorrichtung (4) den Kraftstoff auf die gesamte Kegelmantelfläche aufträgt. z. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Anordnung oder Ausbildung der Einspritzvorrichtung (4), die dem Kraftstoff einen Drall verleiht. 3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem engsten Brennraumquerschnitt mehrere Düsen (4) verteilt sind, deren Kraftstoffstrahlen einander berühren und die auch eine tangentiale Komponente haben können. 4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet; daß eine Zweistrahldüse benutzt wird, deren einer Strahl (8) in der Brennraumachse liegt. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 452 460, 865 683, 973 933, 974 359, 1035 965, 1038 331; deutsche Auslegeschrift Nr. 1057 816; schweizerische Patentschrift Nr. 338 647.