DE1526289A1

DE1526289A1 - Kolbenbrennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung

Info

Publication number: DE1526289A1
Application number: DE19661526289
Authority: DE
Inventors: Hiereth Dipl-Ing Hermann
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1966-10-11
Filing date: 1966-10-11
Publication date: 1970-04-02
Also published as: US3469564A; GB1145117A

Description

Daimler-Benz Aktiengesellschaft . Daim 7225/4 Stuttgart-Untertürkheim 6. Okt.1966

Patentanmeldung

"Kolbenbrennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung"

Die Erfindung betrifft eine Kolbenbrennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung in den Verdichtungshub der einen im wesentlichen axial rotationssymmetrischen Kolbenbrennraum aufweisenden Maschine mittels einer im Zylinderkopf nahe dem Brennraumrand des in seiner oberen lotpunktlage befindlichen Kolbens angeordneten Zweilochdüse mit in Umfangsrichtung der Düse um angenähert 180 zueinander versetzten Strahlrichtungen, wobei der eine Kraftstoffstrahl annähernd tangential und in gleicher Richtung wie die rotierend einströmende Verbrennungsluft auf die Brennraumwand und der andere, als Zündstrahl dienende Strahl in einen Teil des Verdichtungsraumes der Brennkraftmaschine gerichtet ist.

Bei einer solchen, bekannten Brennkraftmaschine liegt die Einspritzdüse mit ihren Austrittsöffnungen für den Kraftstoff an einer Umfangsstelle einer im Zylinderkopf angeordneten Zündkammer, wobei der Zündstrahl in die Mitte der Zündkammer und der Hauptstrahl durch einen von der Zünd-

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kammer in den Zylinderraum der Brennkraftmaschine führenden Verbindungskanal hindurch annähernd tangential in einen etwa ollipsoidförmigen Kollieribrennraum der Brennkraftmaschine hinein gerichtet ist. Wenn der Hauptstrahl durch seine im wesentlichen in Drallrichtung der in den Kolbenbrennraum einströmenden Verbrennungsluft verlaufenden Einspritzrichtung auch in der heute verbreiteten Weise zur Wandanlage sowie Y/iederablösung, Verdampfung und Vermischung mit der Verbrennungsluft gelangen kann, so ist doch bei dem Zündstrahl noch nachteilig, daß er im wesentlichen in Einströmungsrichtung der beim Verdichtungshuo des Kolbens in die Zündkammer einströmenden Verbrennungsluft gespritzt wird. Damit ergibt sich eine entsprechend mangelhafte und insbesondere verzögerte Aufreißung, Versprühung und Vernebelung des Zündstrahles, von dem ,ja gerade eine möglichst sofortige Aufbereitung und - im Palle der Ausbildung der Brennkraftmaschine als Dieselbrennkraftmaschine - Selbstzündung erwartet wird. Ungünstig ist dabei schließlich aber auch noch der Aufwand für eine besondere, im Zylinderkopf angeordnete Zündkammer nebst Verhindungskanal.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Mangel zu vermeiden und bei der eingangs genannten Brennkraftmaschine eine schnellere und zuverlässigere Aufreißung

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und Aufbereitung des Zündstrahles zur Bildung eines zündfähigen sowie ggfs. selbstzündenden Gemisches auf einfachere Weise zu gewährleisten.

Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß die beiden Kraftstoffstrahlen der eingangs genannten Brennkraftmaschine bei einer an sich bekannten Einspritzung des gesamten Kraftstoffs in den Kolbenbrennraum zugleich eine Sehne einer kreisförmigen Querfläehe des rotationssymmetrischen Kolbenbrennraumes bilden, deren Länge etwa 40 bis 60 $ des Brennraumdurchmessers beträgt.

Bei einer solchen Anordnung der Einspritzung wird der Zündstrahl der in den Kolbenbrennraum einströmenden Verbrennungsluft annähernd entgegengespritzt, wodurch sich dank der großen Relativgeschwindigkeit zwischen Kraftstoffstrahl und Verbrennungsluft sofort eine intensive Aufreißung und Versprühung des Zündstrahles in kleinste Tröpfchen ergibt, die eine schnelle Vermischung und Aufbereitung mit der Verbrennungsluft gewährleisten. Dadurch daß die gesamte Einspritzung in an sich bekannter Weise in den Kolbenbrennraum selbst erfolgt, erübrigt sich auch jeglicher Aufwand für etwaige, im Zylinderkopf angeordnete Zünd- oder Wirbelkammern nebst Verbindungskanälen.

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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Sehne durch die Einspritzdüse in zwei ungleich lange Abschnitte unterteilt, von denen der dem Zündstrahl zugeordnete kürzer als der andere ist.

Während beim Betrieb einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine nach einem üblichen Dieselverfahren mit entsprechend hoher Verdichtung allenfalls höchstens zum Anlassen der noch kalten Maschine eine zusätzliche Zündquelle erwünscht sein kann, eignet sich die Einspritzanordnung insbesondere auch für niedrigere Verdichtungen mit einem Wert £ von 13 "bis 14, bei dem sich erfahrungsgemäß ein optimaler mechanischer und thermodynamischer Wirkungsgrad der Maschine ergibt. Hier ist aber der Zündeinsatz durch Selbstzündung bei Kaltstart nicht mehr gesichert, weshalb die Erfindung in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung vorsieht, daß im Bereich des äußeren Endes des dem Zündstrahl zugeordneten Abschnittes der Sehne eine Zündquelle angeordnet ist, die gemäß einer weiteren Ausgestaltung etwa achsparallel zur Zündachse zur Hälfte ihres Querschnittes in eine vom Rand des Kolbenbrennraumes ausgehende Nische des in seiner OT-Lage befindlichen Kolbens ragt.

Es ist schon bekanntgeworden, den gesamten Kraftstoff in einen Kolbenbrennraum einzuspritzen. Es fehlt jedoch an dem durch diesen Stand der Technik auch nicht nahegelegten Merkmal, einen Zündstrahl der drallartig einströmenden Verbrennungsluft unmittelbar entgegenzuspritzen.

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Andere Ausgestaltungen betreffen weitere konstruktive Einzelheiten der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht; es zeigen:

Pig. 1 eine perspektivisch und zugleich schematisch gehaltene Seitenansicht (schräg γοη. oben) eines annähernd in seiner oberen Totpunktlage (GT-Lage) seines Verdichtungshubes angelangten Kolbens einer im übrigen lediglich durch Teile ihrer Einspritz- und Zündanlage sowie durch hängend angeordnete Ventile veranschaulichten erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine;

Pig. 2 die Brennkraftmaschine gemäß Pig. 1 in einem Teilquerschnitt" in der Ebene des in seiner OT-Lage befindlichen Kolbens (in im übrigen gleicher schematisch gehaltener Darstellung wie Pig. 1)}

Pig. 3 den Kolben nebst Einspritz- und Zündanordnung gemäß Pig. 2 in einem Teilquerschnitt nach der Linie III-III der Pig. 2.

Der dargestellte Kolben 1 ist Bestandteil einer nicht näher dargestellten Kolbenbrennkraftmaschine mit je Zylinder einem hängenden Einlaßventil 2 und Auslaßventil 3 sowie mit Kraftstoffeinspritzung in den Verdichtungshub über eine im Zylinderkopf angeordnete Zweilochdüse 4. Der im Bereich der OT-Lage

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des Kolbens 1 gebildete Verdichtungsraum des Zylinders wird im wesentlichen durch einen axial im Kolben angeordneten, etwa zylindrischen Kolbenbrennraum 5 gebildet, in den die Zweilochdüse 4 gemäß Pig.3 bei der OT-Lage des Kolbens 1 etwas eintaucht. Der in den Zylinder einströmenden Verbrennungs luft wird durch übliche, nicht besonders dargestellte Mittel ein Drall in Richtung des Pfeiles 6 erteilt, durch den die Verbrennungsluft in den Kolbenbrennraum gemäß der Zeichnung im Uhrzeigersinn kreisend einströmt.

Die Zweilochdüse 4 weist in Umfangsrichtung der Düse um angenähert 180° zueinander versetzte Strahlrichtungen auf, wobei der eine Kraftstoffstrahl 7 annähernd tangential und in gleicher Richtung wie die rotierend einströmende Verbrennungsluft auf die Brennraumwand und der andere, als Zündstrahl dienende Kraftstoffstrahl 8 der Drallrichtung der Verbrennungsluft gerade entgegen gespritzt wird. Die beiden Kraftstoffstrahlen 7 und 8 bilden zugleich eine Sehne einer kreisförmigen Querfläche des rotationssymmetrischen Kolbenbrennraumes 5f deren Länge 9 etwa 40 bis 60 $> des Brennraumdurchmessers beträgt. Dabei ist die Sehne 9 durch die Zweilochdüse 4 in zwei durch die Kraftstoffstrahlen 7 und 8 gegebene ungleich länge Abschnitte 7a und 8a unterteilt, von denen der dem Zünd-

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strahl 8 zugeordnete (8a) kürzer als der andere (7a), dem Kraftstoffstrahl 7 zugeordnete ist. Der dem Zündstrahl 8 zugeordnete Abschnitt 8a beträgt vorzugsweise höchstens 30 $ und in einer bevorzugten Anwendung nur etwa 15 # cLer Sehnenlänge

Beim Betrieb einer vorstehend beschriebenen, nach dem üblichen Dieselverfahren arbeitenden Brennkraftmaschine ist die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Zündstrahl und der rotierenden Verbrennungsluft so groß, daß der Zündstrahl 8 sehr schnell aufgerissen, in kleinste Tröpfchen versprüht und verdampft wird und somit in Verbindung mit der Verbrennungsluft ein zündfähiges Gemisch entsteht. Die Verbrennung setzt also mit kurzem Zündverzug ein, nachdem erst ein Teil des Gesamtkraftstoffes eingespritzt wurde. Die Flammenfront wandert daraufhin mit der Luftbewegung nach dem in Drallrichtung eingespritzten Kraftstoffstrahl 7 hin, der nur eine kleine, erst mit zunehmender Strahllänge - und damit abnehmender Strahlgeschwindigkeit - wachsende Relativgeschwindigkeit zur Verbrennungsluft aufweist. Der Kraftstoffstrahl 7 entwickelt daher erst relativ spät ein zündfähiges Gemisch, das von der heranwandernden Flammenfront erfaßt wird. Es entsteht eine kontinuierlich wachsende Wärmefreisetzung, die verbrennungstechnisch günstige Form des Wärmeumsatzes.

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Die selbsttätige Zündung ist beim Dieselverfahren bekannt· lieh nur bei relativ hohen Lufttemperaturen gesichert, zu deren Erreichen eine hohe Verdichtung und damit hohe Triebwerksbelastung - durch den sich auf den Verdichtungsdruck aufbauenden Verbrennungsdruck - entsteht. Die Bestrebungen des Brennkraftmaschinenbaues gehen deshalb dahin, nur Verdichtungen mit einem 2. -Wert von 13 bis 14 zu verwirklichen, was einem optimalen mechanischen und thermodynamischen Wirkungsgrad entspricht. Bei einer solchen Verdichtung ist aber der Zündeinsatz durch Selbstzündung vor allem bei Kaltstart nicht mehr gesichert, weshalb auch die vorstehend beschriebene Einspritzanordnung gemäß der Zeichnung noch mit einer Fremdzündquelle, gemäß dem Ausführungsbeispiel mit einer Glühkerze 11 versehen ist.

Die Glühkerze 11 ist im Bereich des äußeren Endes des dem Zündstrahl 8 zugeordneten Abschnittes 8a der genannten Sehne angeordnet und kann, wie in Pig. 2 dargestellt, entgegen der Drallrichtung vor dem Abschnitt 8a oder aber auch kurz hinter dem Abschnitt 8a liegen.

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Die Glühkerze 11 ragt gemäß den. Pig. 2 und 3 etwa achsparailel zur Zündachse zur Hälfte ihres Querschnittes in eine vom Rand des Kolberibrennraumes 5 ausgehende !Tische 12 des in seiner GT-Lage befindlichen Kolbens 1. Bei der OT-Lage des Kolbens 1 ragt die Glühkerze 11 außerdem gemäß Fig. 3 etwa bis zur halben Tiefe des Kolbenbrennraumes 5 in diesen hinein. Die Glühkerze 11 ist gegenüber der in Drallrichtung auf sie zuströmenden Verbrennungsluft und in ihrem radial zum Brennraum außen gelegenen Bereich durch ein Abschirmrohr 13 abgeschirmt.

Auf diese Weise ist es möglich, entweder schwer entzündliche (klopffeste) Kraftstoffe sicher zu zünden oder aber den Dieselmotor bei optimalem Verdichtungsverhältnis - G = 13 bis 14 - laufen zu lassen und trotzdem die Zündung bei Kaltstart oder Teillast sicherzustellen.

Ein besonderer Vorteil der zuletzt beschriebenen Anordnung liegt darin, daß die Zündquelle im Gebiet der besten Gemischbildung und zudem sehr nahe an der Düse liegt. Damit sind die Wege, die der Kraftstoff zurückzulegen hat, kurz und unterschiedliche Energien des zerstäubten Kraftstoffs (Vollast-Leerlauf) oder hohe Strahlgeschwindigkeiten (bei hoher Drehzahl) können sich nicht mehr zündverzugsverlängernd oder sogar die sichere Zündung gefährdend auswirken.

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Die Erfindung ist nicht an alle Einzelheiten des bescliriebenen Ausführungsbeiopiels gebunden. Als Zündqiiollo kennte statt einer Glühkerze auch eine Zündkerze vorgesehen sein, in welchen Falle statt des beschriebenen AbscliirmblGches zweckmäßig ein Abschirmrohr verwendet wird, das unten und/ oder dem Zündstrahl zugewandt eine öffnung aufweint. Die Zündeinleitung erfolgt dann ebenfalls am Zündstrahl, jedoch statt durch eine erhöhte Lufttemperatur durch die zugeführte Zündenergie. Der übrige Verbrennungsablauf stimmt nit dem vorbeschriebenen überein.

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Claims

- 11 - " " Daim 7225/4 Ansprüche

1. Kolbenbrennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung in den Verdichtungshub der einen im wesentlichen axial rotationssymmetrischen Kolbenbrennraum aufweisenden Maschine mittels einer im Zylinderkopf nahe dem Brennraumrand des in seiner oberen Totpunktlage befindlichen Kolbens angeordneten Zweilochdüse mit in Umfangsrichtung der Düse um angenähert 180° zueinander versetzten Strahlrichtungen, wobei der eine Kraftstoffstrahl annähernd tangential und in gleicher Richtung wie die rotierend einströmende Verbrennungsluft auf die Brennraumwand und der andere, als Zündstrahl dienende Strahl in einen Teil des Verdichtungsraumes der Brennkraftmaschine gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kraftstoff strahlen (7,8) bei einer an sich bekannten Einspritzung des gesamten Kraftstoffs in den Kolbenbrennraum (5) zugleich eine Sehne (7a, 8a) einer kreisförmigen Querfläche des ro-

tationssymmetrischen Kolbenbrennraumes (5) bilden, deren Länge (9) etwa 40 bis 60 # des Brennraumdurchmessers (10) beträgt.

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. . -...12 - Daim 7225/4

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sehne (9) durch die Einspritzdüse (4) in zwei ungleich lange Abschnitte (7a,8a) unterteilt ist, von denen der dem Zündstrahl (8) zugeordnete (8a) kurzer als der andere (7a) ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Zündstrahl (8) zugeordnete Abschnitt (8a) der Sehne höchstens 30 # der Sehnenlänge (9) beträgt.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der dem Zündstrahl (8) zugeordnete Abschnitt (8a) der Sehne etwa 15 $> der Sehnenlänge (9) beträgt.

5ο Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des äußeren Endes des dem Zündstrahl (8) zugeordneten Abschnittes (8a) der Sehne eine Zündquelle (11) zugeordnet ist.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Ende des dem Zündstrahl (8) zugekehrten Abschnittes (8a) der Sehne kurz vor oder hinter der Zündquelle (11) liegt.

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- 13 - Palm 7225/4

7· Brennkraftmaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündquelle (11) etwa achsparallel zur Zylinderachse zur Hälfte ihres Querschnittes in eine vom Rand des Kolbenbrennraumes (5) ausgehende Nische (12) des in seiner OT-Lage befindlichen Kolbens (1) ragt.

8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündquelle (11) bei der OT-Lage des Kolbens (1) etwa bis zur halben Tiefe des Kolbenbrennraumes (5) in diesen hineinragt.

9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 "bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die als Glühkerze (11) ausgebildete Zündquelle gegenüber der in Drallrichtung auf sie zuströmenden Verbrennungsluft und in ihrem radial zum Kolbenbrennraum (5) außen gelegenen Bereich durch ein Abschirmrohr (13) abgeschirmt ist.

10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden der als Zündkerze ausgebildeten Zündquelle gegenüber der in Drallrichtung auf sie zuströmenden Verbrennungsluft und in ihrem radial zum Kolbenbrennraum (5) außen gelegenen Bereich durch ein Abschirmrohr (13) abgeschirmt sind, das unten und/oder dem Zündstrahl (8) zugewandt eine Öffnung aufweist.

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