DE1426082A1

DE1426082A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE1426082A1
Application number: DE19621426082
Authority: DE
Inventors: Melvin Neville
Original assignee: Cummins Engine Co Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 1961-05-24
Filing date: 1962-05-22
Publication date: 1969-02-20
Also published as: ES277529A1; BE618047A; CH429297A; US3110293A; GB1001577A

Description

DipWng. HEINZ AGULAR „

G 642

CUMMINS EFGIME CO., Inc., Columbus, Indiana, V.St.A.

Br ennkr af tinas chine

Die Erfindung "betrifft allgemein Brennkraftmaschinen und insoesondere Brennkraftmaschinen mit Yerdichtungszündung i von der Dieselbauart.

Hauptziel der Erfindung ist die Schaffung eines Motors mit Verdichtung.-szündung "bzw. eines Dieselmotors mit einer getrennteren Bauform für eine "bestimmte Literleistung als die herkömmlichen Motoren.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Dieselmotors mit einer gegenüber den herkömmlichen Dieselmotoren erhöhten Literleistung.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines Dieselmotors mit einem erhöhten Motorwirkungsgrad

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und einer erhöhten Lebensdauer gegenüber den herkömmlichen Dieselmotoren. .

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Dieselmotors von geringerer Länge und geringerer Höhe bei einer gegebenen Nennleistung als die herkömmlichenDieselmotoren.

Ein weiteres ZeI der Erfindung ist die Schaffung eines Dieselmotors für Kraftfahrzeuge, der die Verwendung einer leichteren Rahmenbauart zur Lagerung des Motors im Fahrzeug und einer leichteren Kraftübertragung als bisher ermöglicht.

Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen und zwar zeigen:

Fig. 1 eine Endansicht, teilweise im Schnitt, eines erfindungsgemässen Motors;

Fig. 2 eine Seitenansicht des in Fig. 1 gezeigten Motors, wobei der vordere Zylinder der, gesehen in Fig. 1, linken Zylinderreihe im Schnitt dargestellt ist;

Fig. 5 eine Ansicht der Unterseite eines Zylinderkopfes des Motors und

Fig. 4- eine Teilansicht im Schnitt eines der Zylinder des Motors.

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Bei den herkömmlichen Dieselmotoren Tjesteht ein HuTd-Bohrungs-Verhältnis von über 0,9» gewöhlich von etwa 1,2. Es war bisher die Ansicht vieler Konstrukteure von Dieselmotoren, daß sich der höchste Wirkungsgrad mit einem Hub— Bohrungs-Verhältnis von einem solchen Wert erzielen lässt.

Benzinmotoren, d.h. Motoren mit Fremdzündung bzw. Ottomotoren werden gewöhnlich mit niedrigen Hub-Bohrungs-Verhältnissen gebaut, um den vorerwähnten Vorteil zu erzielen. Die Bemühungen, Dieselmotoren mit einem niedrigen Hub-Bohrungs-Verhältnis waren jedoch wegen des Grundproblems der Erzielung eines guten Verbrennungswirkungsgrades beim kurzhobigen Diesel· unbefriedigend. Dieses Problem bestand bei der Entwicklung des Ottomotors nicht. Das Hauptproblem beim Dieselmotor mit direkter Einspritzung (open chamber) ist durch das verringerte Volumen des Brennraumes be-timmt, in welchem der Kraftstoff so eingespritzt werden muß, daß ei s^ch vollständig und rasch mit der gesamten Luft vermischt;. Ottomotoren mit niedrichen Hub-Eohrunes-Verhältnissen haben dieses Problem nicht, da Luft und Kraftstoff ausserhalb des Zylinders, beispielsweite in einem Vergaser, vorgemischt werden. Obwohl auf experimentellem Wege Versuche gemacht vmiven, einen Dieselmotor mit einem Hub-Bohruners-Verhältnis zu bauen, d&s kleiner ist als 0,9, waren diese Motoren nicht von der Bauart mit direkter Einspritzung, sondern mit Vorkammern versehen, dr es mit Eücksieht auf den Markt als- unmöglich angesehen wurde, einen Dieselmotor mit einem eolchen Hub-Eoh-nHu.s-Verhaltnis zu bauen, bei welchem Kraft-

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stoff und Luft allein innerhalb des Zylinders gemischt werden sollen. ·

Ein Motor mit den erfindungsgemässen Merkmalen ist von der Bauart mit Verdichtungszündung, hat jedoch ein Hub-Bohrungs-Verhältnis, das kleiner ist als 0,9» wobei das Vermischen von Kraftstoff und Luft allein innerhalb jedes Zylinders erfolgt, so daß dieser von der Bauart mit offenem Brennraum ist* Ein solcher Motor hat in seiner bevorzugten Ausführungsform einen gegenüber den herkömmlichen Motoren erhöhten Wirkungsgrad jedoch besteht sein Hauptvorteil in seiner erhöhten LiterIeistung. Die bevorzugte Ausführungsform ist V-förmig und mit einer solchen Bauform lässt sich ein getrenntejsrAufbau erzielen, als es bei den herkömmlichen Motoren möglich war. '

Beim Bau eines Motors der erwähnten Art treten bestimmte Probleme, auf, die eine sorgfältige Berücksichtigung erfordern und zu Abänderungen von der herkömmlichen Bauweise führen. Wenn beispielsweise das niederigere Hub-Bohrungs-Verhältnis dadurch erzielt wird, daß der Hub verringert .wird, muß der Verdichtungsraum in jedem Zylinder am oberen Totpunkt verringert werden, um ein ausreichendes Verdichtungsverhältnis für die Verbrennung aufrechtzuerhalten. Ein solcher verringerter Verdichtungsraum erfordert eine sorgfältige Konstruktion des Kolbenbodens und des benachbarten Bereiches des Zylinderkopfes, um. eine einwandfreie Vermischung von Kraftstoff und Luft zu bewirken. ·

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Bei einem Dieselmotor muß, wenn die Vermischung von Kraftstoff und Luft allein innerhalb des Zylinders durchgeführt wird, der Zylinderdurchmesser eine bestimmte Mindestgrenze überschreiten, damit eine ausreichende Vermischung der Luft mit dem Kraftstoff, nachdem dieser aus der Düse der Einspritzvorrichtung ausgetreten ist, erfolgt. Wenn sich die Düse der Einspritzvorrichtung etwa in der Zylinderachse befindet, beträgt die Mindestgrenze für den Zylinder praktisch etwa 10 cm (4"). Eine solche Anordnung der Einspritzvorrichtung ist insofern vorteilhaft, als der Kraftstoff in allen radialen Eichtungen von der Düse verteilt und damit eine wirksame Vermischung von Kraftstoff und Luft erreicht wird. Vorzugsweise können bei der dargestellten Bauform mit offenem Brennraum die die Düse verlassenden Kraftstoffstrahlen in den Verdichtungsraum ohne eine wesentliche Beaufschlagung auf benachbarten Flächen gerichtet werden, da eine beträchtliche Ansammlung von Kraftstoff auf diesen !Flächen keine gute Vermischung mit der Luft und keine einwandfreie Verbrennung ergibt. Bei dem verringertem Verdichtungsraum muß der Raum zwischen dem Kolbenboden und dem Zylinderkopf, in welchem die Kraftstoffstrahlen gerichtet werden, frei von vorstehenden Teilen sein, so daß die vom Zylinderkopf getragenen Ventile in diesem ausgespart sind, damit der vorerwähnte Kaum frei bleibt. Die Aussparung für die Ventile bildet auch einen Teil des Verdichtungsraumes«

Der Verdichtungsraum wird teilweise durch einen ringförmigen im Kolbenboden ausgebildeten Hohlraum gebildet, der an seinem

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Aussenumi'ang durch, einen sich nach oben erstreckenden ringförmigen Flansch, am Umfang des Kolbens begrenzt wird. Wegen des verringerten Verdichtungsraumes nähert sich der Flansch, sehr stark den Zylinderkopf, wenn sich der Kolben zum oberen Totpunkt bewegt und wird die Luft radial nach innen verdrängt, wodurch die Vermischung von Kraftstoff und Luft gefördert wird. ;

Bin weiterer Vorteil, der mit einem Dieselmotor von einem niedrigen Hub-Bohrungs-Verhältnis erzielt wird, besteht in der Herabsetzung der Pumpverluste. Es können daher proportional grössere Ventile bei einem gegebenen Zylinderinhalt untergebracht werden. Hierdurch werden die Ein- und Ausströmgeschwindigkeiten herabgesetzt, was eine entsprechende Herabsetzung der Pumpverluste und eine Verbesserung des Ver— brennungswirkungsgrades sowie eine Erhöhung der Spitzenleistung durch verbesserte Kraftstoff- Luft- Verhältnisse zur Folge hat.

Bei einem niedrigen Hub-Bohrungs-Verhältnis kann die Dreh-

zahl des Motors wesentlich erhöht werden, wobei jedoch die durchschnittlichen Kolbengeschwindigkeiten innerhalb brauchbarer Grenzen gehalten werden. 'Die erhöhte Drehzahl bei einer gegebenen Leistung führt zu einem geringeren Drehmoment an den Kraftübertragungsorganen eines Fahrzeugs, das. durch einen solchen Motor angetrieben wird. Die Kraftübertragungsorgane können daher von leichterer Bauart sein.

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Wie erwähnt, ist die "bevorzugte Bauform des erfindungsgemässen Motors ein V-Motor und in den Zeichnungen ist ein Motor dieser Bauart mit den erfindungsgemässer Merkmalen dargestellt. Es können jedoch auch viele der erwähnten Vorteile "bei anderen Motorbauformen erreicht werden. Die "bevorzugte in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsform weist einen Zylinderblock 10 mit zwei Zylinderreihen 11 und 12 auf. Bei der dargestellten Ausführungsform handelt es sich um einen V-6 Motor, so. daß jede Zylinderreihe 11 bzw. 12 drei in Ausfluchtung befindliche Zylinder aufweist, wobei die Zylinderreihen im Winkel von 90 Grad zueinander angeordnet sind. Jede Zylinderreihe ist mit einem eig-enen Zylinderkopf 15 versehen, auf dem ein Deckel 14 angeordnet werden kann, um die Steuerungseinrichtungen für die Ventile und die Einspritzvorrichtungen einzusehliessen.

Die Kurbelwelle des Motors, die allgemein mit I5 bezeichnet ist, ist in der üblichen Weise mit einem vorderen und einem hinteren Hauptlager versehen, wobei bei der dargestellten Ausführungsform drei Kurbelzapfenlager vorgesehen εΐηά, von denen eines bei 16 gezeigt ist. Jedes Kurbelzapfenlager 16 dient zur Aufnahme einer Pleuelstange 17 für den Kolben 20 in einem Zylinder der Reihe 11 sowie einer Pleuelstange 21 für den Kolben in dem entsprechenden Zylinder der Heihe 12. Zur Abstützung der Kurbelzapfenlager 16 ist die Kurbelwelle mit zwischenliep.enden Hauptlagern, von denen eines bei 22 dargestellt ist, zwischen jedem Kurbelzapfenlagerpaar versehen. Die Kurbel zapfenlager haben dalier in der Längsrichtung der Kurbelwelle einen ausreichend großen Abstand, damit die

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Zylinder jeder Reihe den gewünschten Durchmesser haben können, da ja der Zylinderdurchmesser im Verhältnis zum Hub grosser ist als bei den herkömmlichen Motoren.

Jeder Zylinder ist mit einer Einspritzvorrichtung 23 versehen, die irgendwo innerhalb des Bereiches des Zylinders angeordnet sein kann und bei der dargestellten Ausführungsform sich etwa in der Achse des Zylinders befindet und eine Düse 24 aixfweist (siehe Fig. 4), die dazu dient Kraftstoff mit Strahlen einzuspritzen, die sich im wesentlichen radial in den Zylinder erstrecken. Der Verdichtungsraum zwischen dem Zylinderkopf 13 und dem Kolben 20 ist, wenn sich der letztere im oberen Totpunkt befindet, natürlich viel kleiner als bei einem herkömmlichen Motor, da ein Verdichtungsverhältnis, das für das Bewirken der Zündung ausreicht, bei den verringerten Hub aufrechterhalten werden muß. Der Kolben nähert sich daher in seiner oberen Totpunkt at ellung sehr weit dem Zylinderkopf 13. Der Kolben ist jedoch so geformt, daß die Kraftstoffstrahlen aus der Düse 24 sich rasch und vollständig mit der Luft.für eine vollständige Verbrennung vermischen können. 3?ür diesen Zweck ist der Boden des Kolbens 20 mit einem ringförmigen Hohlraum 25 versehen, welcher durch eine Abschrägung der Oberseite des Kolbens von seiner Achse nach unten und aussen gebildet v/ird. Die Kraftstoffstrahlen aus der' Düse 24 verlaufen ebenfalls schräg nach unten und aussen in den hohlraum 25, wodurch jede stärkere Beaufschlagung der Oberseite dee Kolbens und der benachbarten Pläche des Zylinderkopf es vermieden ürid eine Vera, is chung

mit der Luft im Hohlraum 25 erhalten wird. Um zu verhindern, daß die Ventile in die "Bahn der Kraftstoffstrahlen vorstehen, ist jedes Ventil 26 bei 27 im Zylinderkopf 13 ausgespart. Die Aussparung 2? "bildet ebenfalls einen Teil des Verdichtungsraumes,

TJm die Vermischung von Kraftstoff und Luft zu verbessern ist der Kolben so geformt, daß die Luft radial nach innen zum Hohlraum 25 verdrängt wird, wenn sich der Kolben seinem oberen Totpunkt annähert. Der Hohlraum 25 ist daher an seinem Aussenumfang durch einen sich nach oben erstreckenden Flansch 30 am Umfang des Kolbens begrenzt. Der Flansch 30 nähert sich sehr weitgehend dem Zylinderkopf, wenn der Kolben das obere Ende seines Hubes erreicht, wodurch die Luft nach innen verdrängt wird, um die Vermischung von Kraftstoff und Luft im Hohlraum 25 zu fördern.

tfie sich aus der vorangehenden Beschreibung ergibt, wird das niederigere Hub-Bohrungs-Verhältnis durch eine Verringerung des Hubes des Motors gegenüber den herkömmlichen Motoren erreicht, wobei die Bohrung der Zylinder oberhalb der zulässigen Mindestgrenze für Dieselmotoren mit offenem Brennraum bzw. direkter Einspritzung,gehalten wird« Eine solche Bohrung ergibt einen ausreichenden Flächenbereich für die Ventile 26, welche bei .einem, gegebenen Zylinderinhalt anteilmässig grosser sind, als bei den herkömmlichen Motoren. Im. vorliegenden Fall sind, wie in Fig. 3 gezeigt, vier Ventile» nämlich zwei Einlass- und zwei _;Auslassventile vorgesehen,

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die um die Einspritzvorrichtung 23 in der Achse jedes _v ■..-Zylinders herum angeordnet sind, obwohl auch.nur .ein einziges Einlassventil und ein einziges Auslassventil vorgesehen seinkönnen. Die Geschwindigkeiten der in den Zylir-der einströmenden Lüft'Uhd -der den Zylinder verlassenden Abgase sind daher herabgesetzt, was zu. einer entsprechenden.Verringerung:- der PumpVerluste führt. . ·. · . : -■..·-....-""- -._: " -'

Bei einem'erfindungsgemäs sen Motor kann die ,Lange der Pleuelstangen,, also der Pleuelstangen 1'? und 21, herabgesetzt . :·; werden. Bei jedem Motor werden die Pleuelstangen natürlich so kurz 'als möglich gemacht, ohne· einen übermässigenjiSei-ten-t druck der-Kolben gegen'die Zylinderwai'duttghervorzurufen..-.·.·.■-ü Bei einer verringerten Länge der Pleuelstangen kann- äie;. Grö,sse des Zylihde'rblOckes und damit die Gesamtgrösse des Motors*.--.-;,:; verringert werden. Dies hat zur iOlge', daß das Verhältnis c l .; der Länge der Kolbenstangen zur Bohrung der- Zyiino.er ver~ .:>r,

ringert' wird, welches bei einem erfindungsge'mässen -Motor ^! ■·■. weniger als 1,75 beträgt. -"■-■"". .-.■.■-rs^i ·.,. :■> ^: : ,■

Die Herabsetzung der* Länge der Pleuelstöhören führt'auch zu-^; einer Verringerung-des Abstandes von der Kurbelwellenachse· zur Aussenfiäche des Zylindefb'lockes^ da^h. zur Fläche des Blockes- am äusseren oder oberen-Ende jedes'^yüätiers. Diese* lläche ist bei dem in den·'Zeichnungen¹'gezeigten Motor--'itoltl·- ■■ 33 "bei jeder Zy^linderrfeihe· bezeichnet. Die^: Verrihgeruhg- 'd'es gehairinten Abständes ergibt natürlich eine-getrenntere 'Bauform des J'otors. Bei einer Verringerung des erwähnten Abstandes .

wird das Verhältnis dieses Abstandes zur Bohrung der Zylinder herabgesetzt, welches "bei dem'erfindungsgemässen Motor weniger als 2,8 beträgt.

Wenn die Zylinderreihen V-förmig mit einem Winkel von 90 Grad zueinander angeordnet sind, steht der Raum innerhalb des V für Hilfsgeräte zur Verfügung. Bei der in Pig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform sind innerhalb des V beispielsweise ein Luftverdichter 3^ und eine Kraftstoffpumpe 32 angeordnet.

Der vorangehend beschriebene Motor hat bei einer gegebenen Kennleistung eine ausserordentlich getrennte Bauform. Beispielsweise ist seine Länge weit geringer als bei einem Motor von der gleichen Kennleistung, dessen Zylinder in Reihe angeordnet sind. Seine Breite ist etva die gleiche, jedoch ist seine Höhe weseni-lich geringer als diejenige des Reihenmotors. Der beschriebene Motor ist besonders zur Verwendung in Fahrzeugen geeignet·, in welchen eir-e gerinsstmögliche Baulär-^e und Bauhöhe besonders vorteilhaft sind. Der erfindun sgemässe Motor he-t eine höbe Literleistung, so den bei einer gegeberen Nennleistung sein Gesamtgewicht geringer ist als bei herkömmlichen Motoren. Das niedrigere Gesamt gexvicht ermöglicht in Verbindung mit der geringeren Baulänge, daß der Fahrzeugkonstrukteur eine leichtere Rahmenbauform als bisher verwenden kann, was zu niedrigeren Fahrzeugkosten und geringeren Betriebskosten führt, da das Lee.rr-

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gewicht des Fahrzeugs verringert ist. Die leichter gebauten Kraftübertragungsorgane tragen, wie erwähnt ebenfalls zu diesen Vorteilen bei. Es wird nicht nur eine höhere Literleistung erzielt, sondern auch ein verbesserter Wirkungsgrad ohne Herabsetzung der Lebensdauer und der Betriebssicherheit erreicht.

Patentansprüche: 90 9808/0 UO

Claims

Pofenfanw&l!· Dr.-1ng. HANS RUSCHKE . HBNZ AGULAR

Jß

München, den 2$. Juli 1968

P 14 26 082.3
C 27 051 Ia/46a 10
Cummins Engine Company
C 642/Pf - Ws/

Patentansprüche

( 1.jMehrzylinder-Diesel-Motor mit offenen Brennkammern, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:

a. Das Hub-Bohrungsverhältnis der einzelnen Zylinder (11,12) ist geringer als 0,9.

b. Die Länge jeder Pleuelstange (17) ist geringer als 1,75 x Zylinderbohrung. ·

c. Der Abstand zwischen Kurbelwellenachse und dem Zylinderdeckerboden (33) ist geringer als 2,8 χ Zylinderbohrung.

d. Der Durchmesser der Zylinderbohrung ist größer als 10 cm.

2. Diesel-Motor nach Anspruch 1, .in Anwendung bei einem V-Motor, bei welchem jeweils zwei Pleuelstangen V-förmig einander gegenüberliegender Zylinder auf einem gemein-

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samen Kurbelzapfen gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (15) in an sich bekannter Weise jeweils zwischen den einzelnen Kurbeln im Gehäuse (10) gelagert ist.

Diesel-Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenboden in an sich bekannter Weise mit einer einen Teil der Brennkammer bildeten zentrischen Kolbenkammer (25) versehen ist, die eine der zentrisch angeordneten Einspritzdüse (23, 24) gegenüberliegende, kontinuierlich bis zu ihrer Begrenzung (30) abfallende Erhöhung aufweist.

GlHAt INSPECTS)

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