DE1526293A1

DE1526293A1 - Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE1526293A1
Application number: DE19651526293
Authority: DE
Inventors: Laszlo Hideg; Simko Aladar O
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1964-06-17
Filing date: 1965-05-31
Publication date: 1969-06-19
Also published as: GB1099556A; US3294072A

Description

Betr.: Amtl. Aktenzeichen: P 15 26 293.8

Ford-Werke, Aktiengesellschaft, 5 Köln-Deutz 1, Ottoplatz 2

"Verbrennungsmotor"

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit einer vorzugsweise im Kolben liegenden, exzentrisch zur Zylinderachse angeordneten, als Wirbelkammer ausgebildeten Brennkammer und einer schräg von außen in die Brennkammer mündenden Einspritzvorrichtung für den Brennstoff sowie einer ebenfalls in die Brennkammer ragenden Zündeinrichtung.

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Die üblichen Verbrennungsmotor sind im allgemeinen bei Teillastbedingungen unwirtschaftlich. Dieses hat mehrere Gründe. Einer der Gründe ist darin zu sehen, daß, wenn das Brennstoff-Luftgemisch außerhalb der Verbrennungskammer, beispielsweise in einem Vergaser, gemischt und durch eine einzige Zündkerze gezündet wird, ein Gemisch, welches magerer als 18 oder 19 Teile Luft auf

1 Teil Brennstoff ist, im allgemeinen nicht gezündet werden kann. Hieraus resultiert, daß die Maschine nach einem Kompromiß ausgelegt wird. Dies erfolgt derart, daß-der Vergaser im allgemeinen so eingestellt wird, daß ein stöchiometrisches oder chemisch korrektes Gemisch erzeugt wird, welches annähernd 15 : 1 beträgt und bei Teillastbedingungen vorliegt und daß · eine Überreicherung des Gemisches bei leichten und vollen Motorbelasbungen erfolgt. Die üblichen Maschinen arbeiten daher über den gesamten Lastbereich nicht wirtschaftlich und haben daher nicht die günstigsten Verbrauchscharakteristiken.

In der Vergangenheit wurden bereits verschiedene Versuche unternommen, eine Maschine zu schaffen, welche mit einem geschichteten Gemisch innerhalb des Verbrennungsprozesses arbeitet. Dieses Verfahren arbeitet derart, daß in einem kleinen Bereich des Zylinders der Verbrennungsprozeß eingeleitet wird, in einem Bereich, in welchem das Brennstoff-Luftgemisch im wesentlichen stöchiometrisch ist, während die verbleibenden Teile des Zylindervolumens im wesentlichen reine Luft oder ein mageres Gemisch enthalten. Das Zylindervolumen wurde also in Lagen oder Sepmente geschichtet, von denen eine oder mehrere ein stöchiometrisches Kraftstoff-Luftgemisch enthielten, während die verbleibenden Bereiche reine Luft oder ein mageres Gemisch enthielten. Dieses örtlich begrenzte Kraftstoff-Luftgemisch wurde, wenn es die Zündkerze passierte, gezündet und die sich daraus ergebende Flamme in alle Teile der Kammer verbreitet.

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Dieses Verfahren umfaßt das Einführen einer abgedrosselten Luftmenge in das Zylindervolumen mit einer axialen Wirbelbewegung, so daß der Kraftstoff am Umfang des Zylinders in einer etwas isolierten Lage entlang geführt wurde, bis dieser die Zündkerze erreicht, bei welcher die Zündung hervorgerufen wird. Die durch den Aufstieg des Kolbens während des Kompressionshubes hervorgerufene Luftbewegung trägt zur Turbulenz des Gemisches bei und derart zur Verteilung und Vergasung der Kraftstoffpart ikelchen.

Schließlich wurden weitere frühere Versuche gemacht, um ungedrosselte, mit direkter Kraftstoffeinspritzung und geschichteten Zylinderfüllungen arbeitende Maschinen zu schaffen. Jedoch wurde die Kraftstoffeinspritzung im allgemeinen in solch einer Art durchgeführt, daß die Wirbelbewegung, die der eintretenden Luftmenge erteilt wurde, aufgrund der Anordnung der Einspritzdüse der Kontrollfaktor war. Wie bei den mit gedrosselter Luft arbeitenden Konstruktionen, begünstigte die Preßwirkung die Verteilung der Kraftstoffpartikelchen in der Luft. Die Verbrennungskammern waren im allgemeinen im Bezug auf die Achse der Zylinderbohrung symmetrisch angeordnet, und die Kraftstoffmenge wurde im allgemeinen in der gleichen Richtung wie die eintretende Luftmenge eingespritzt.

Mit geschichtetem Gemisch arbeitende Maschine, welche im wesentlichen auf der Verwirbelungsbewegungstheorxe arbeiten, sind aufgrund der Tatsache, daß es schwierig ist, ein durch Kontrolle der Form und Bewegung der Einlaßventile wirksames

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Luftwirbelschema zu erhalten, wesentlich schwerer zu kontrollieren. Die Ventile müssen im allgemeinen gut abgedeckt bzw. mit Masken versehen sein, um der eintretenden Luft eine besondere Wirbelbewegung zu erteilen. Da die Bewegung, die der Luft durch eine Preßwirkung erteilt wird, primär durch Kontrolle der Formgebung des Kolbens, der Verbrennungskammer und des Zylinderkopfes reguliert werden kann, ist das Preßluftstromschema leichter zu kontrollieren als das Wirbelluftschema. Daher ist eine Maschine mit geschichtetem Gemisch, welche mit einem Preßluft-bzw. verdichtete Luft benutzenden Verbrennungsprozeß arbeitet, wesentlich leistungsfähiger.

Der mit geschichtetem Gemisch arbeitende Verbrennungsprozeß gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht nicht nur die Arbeitsweise einer Maschine mit optimalen Kraftstoff-Luftgemischverhältnissen, das magerer ist als das der mit Drosselluft arbeitenden Maschine, sondern ermöglicht auch ungedrosselte Luft mit unmittelbarer Kraftstoffeinspritzung. Die Erfindung verbessert den Mangel der früheren Verbrennungsmaschinen mit geschichtetem Gemisch durch Vermeidung der Notwendigkeit, daß die Maschine mit axialen Wirbeln und im wesentlichen konzentrischen Verbrennungskammern arbeitet. Ebenfalls vermeidet die Erfindung die Notwendigkeit getrennter, wirbelförmiper Verbrennungskammern.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor, der mit geschichtetem Gemisch arbeitet und Vorrichtungen, bei welchen eine Wirbelluftbewegung im wesentlichen vernachläßi^bar

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ist und der Hauptluftfluß durch eine Druckwirkung erzeugt wird. Der Motor wird mit einer Verbrennungskammer entweder am Kolbenkopf oder am Zylinderkopf ausgerüstet. Die. Verbrennungskammer liegt auf einer Seite der Mittellinie der Zylinderbohrung, so daß dadurch der größere Teil des Druckbereiches bzw. Verdichtungsbereiches an einer Seite des Zylindervolumens liegt.

Die zunehmend stärkere.Preßwirkung, dann, wenn der Kolben die obere Totpunktstellung erreicht, schafft einen axialen Luftfluß in geschlossenen, parallelen Stromschichten bzw. Stromfäden. Dies bewirkt eine Luftdrehung in der örtlich abgegrenzten Verbrennungskammer ohne eine intensive Mischwirkung. Auf diese Weise wird eine rohrförmige Brennstoff-Luftgemischwolke geschaffen, welche im Bereich der Zündkerze ein stöchiometrisches Verhältnis aufweist. Die Kraftstoffeinspritzdüse kann nahe an oder in einer Ecke zwischen der Zylinderwandung und dem Zylinderkopf angeordnet sein, um dadurch die größte Eindringtiefe der Kraftstoffpartikelchen in die Luft in dem Zylinderraum zu ermöglichen. Der Kraftstoff wird in die Verbrennungskammer und in den Zylinderraum entgegengesetzt der Richtung des Flusses der Preßluftströme in die zusammengepreßte Luft eingespritzt. Der Kraftstoff tritt mit einer geringen Teilchengeschwindigkeit ein, so daß die Kraftstoffgeschwindigkeit und die entgegenfließende Luftgeschwindigkeit derart ausgeglichen werden, daß verhindert wird, daß der Kraftstoff die Oberfläche der Verbrennungskammer und des Kolbens benetzen kann. Das Einspritzen der Kraftstoffpartikel-

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chen gegen die Preßluftströme in der oben beschriebenen Weise schafft eine bessere Kraftstoffvergasung und bewirkt, daß der in den Zylinderraum abgegebene Kraftstoff zurück in die Verbrennungskammer getragen wird, so daß die Verbrennung im wesentlichen in dieser Kammer erfolgt.

Diese Konstruktion schafft viele Vorteile gegenüber den bisher bekannten Einrichtungen. Zuerst ermöglicht sie eine Kontrolle der Leistung primär durch Veränderung der Menge des eingespritzten Kraftstoffes, da die volle Luftmenge bei jedem Saughub in den Zylinder gezogen wird und die Verteilung des Kraftstoffes in dieser Luft genau kontrolliert wird. Auf diese Weise tritt eine wirkungsvolle Arbeitsweise unabhängig von der Belastung ein. Bei leichter Belastung wird die Menge und die Länge der Einspritzung kontrolliert, so daß nur eine relativ geringe Gemischwolke mit kleinem Radius und geringem Umfang innerhalb der Verbrennungskammer existiert. Bei stärkerer Belastung ist die Einspritzzeit früher und langer, so daß hierdurch der Kraftstoff schon zu Beginn tiefer in den Zylinderraum eindringt, und das Gemisch urafangsmäßig in einem größeren Teil der Verbrennungskammer vorhanden ist. Bei voller Geschwindigkeit und Belastung ist die frühzeitige Kraftstoffeindringung in den Zylinderraum am größten, und die Gemischwolke füllt im wesentlichen die gesamte Verbrennungskammer aus.

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Auch ermöglicht die erfindungsgemäße Konstruktion die Anordnung der Zündkerze an einer Stelle, die vom Konstruktionsstandpunkt am günstigsten ist und die für die Einleitung des VerbrennungsVorganges bei jeder Belastung und jeder Geschwindigkeit optimal ist.

Weiterhin kann die Einspritzdüse an einer Stelle angeordnet werden, die ebenfalls vom Konstruktionsstandpunkt aus am günstigsten ist, und sie kann so ausgerichtet werden, daß ein maximaler Weg oder ein maximales Eindringen des Kraftstoffsprays ohne Benetzung der inneren Oberflächen des Zylinders und, des Kolbens möglich ist. Auch die Kühlung der Einspritzdüse ist einfacher, so daß hierdurch die Wärmeprobleme besser beherrscht werden können.

Schließlich wird gemäß der Erfindung der hohe Turbulenzbereich vermieden, der normalerweise in der Mitte der im wesentlichen konzentrischen Verbrennungskammer durch die Druckluftlagen erzeugt wird, die von jeder Seite aufeinander treffen und die Neigung haben, Teile der Gemischwolke bei geringer Belastung zu zerstäuben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor zu schaffen, welcher in allen Lastbereichen wirtschaftlich und günstig arbeitet, und zwar durch einen Verbrennungs-

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prozeß von Kraftstoff in der Gegenwart eines Überschusses an Luft bei Teillast, wobei die gesamte Luftmenge bei voller Last verbraucht wird und eine rauchlose Verbrennung erreicht wird.

Weiterhin ist es Gegenstand der Erfindung, eine möglichst hohe Verteilung der Gasrückstände zu erreichen und entsprechende Schichtung bei Vollast, so daß erhöhte KompressionsVerhältnisse angewandt werden können, ohne daß normalerweise dann in üblichen Verbrennungsmotoren auftretende "Klopfen".

Schließlich ist es Gegenstand der Erfindung, einen Motor zu schaffen, der mit geschichtetem Gemisch arbeitet, bei welchem das kontrollierende Luftbewegungsschema' durch die Verdrängerwirkung des Kolbens erreicht wird, Axial fließende Luftströme, die im wesentlichen parallel zueinander sind, werden mit sehr geringer oder mikroskopischer Mischung zwischen den einzelnen Schichten geschaffen. Die Kraftstoffeinspritzdüse ist an einer besonders wichtigen Stelle im Bereich der Verbrennungskammer angeordnet, welche auf einer Seite des Zylindervolumens vorgesehen ist. Die Kraftstoffpartikelchen oder der Kraftstoffspray werden in die Preßluftlagen in die Kammer und das Zylindervolumen gegen die Richtung der Bewegung der Preßluftströme mit einer Geschwindigkeit eingespritzt, die ein tiefes Eindringen des Kraftstoffes in die Preßluftströme ohne ein Benetzen der Zylinderseitenwandung und des Zylinderkopfes ermöglicht.

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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor, der mit einer ungedrosaalten Luftansaugleitung ausgerüstet ist,und einen Motor, in welchem der Verbrennungavorgang in einem kleinen Teil des Zylindorvolumens eingeleitet wird, in welchem dos Kraftstoff-Luft-Gemisch chemisch richtig proportioniert ist. Hierdurch wird eine wirkungsvolle Verbrennung einer· kleinen Füllmenge bei Teillastbeningungen erreicht, indem lediglich ein geringer Teil des gesamten angesaugten Frischluftanteiles benutzt wird, wobei der verbleibende Luftanteil im wesentlichen nicht mit Kraftstoffpartikelcnen vermischt wird.

V/eitere Gegenstände und Merkmale sowie Vorteile der erfindungsgemäßen Einrichtung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung an Hand der Zeichnungen hervor. Die Zeichnungen zeigen in den

Fig. 1, 2, 3 und 4 schematische Querschnitte von Teilen eines Ver-

brennungsmotores gemäß der Erfindung, wobei diese Fig. im wesentlichen die Wirkungsweise während ansteigender Belastungen des Motors zeigen, in den

Fig. 1A,2A,3A U.4A Aufsichten auf die Konstruktionen gemäß den Figo

1, 2, 3 und 4, in den

Fig. 5 bis 12A abgeänderte Ausführungsformen der Verbrennungskammer gemäß den Fig. 1 bis 4A und in den

Fig. 13 und 13A eine andere Ausführungsform der Erfindung.

Wie bereits ausgeführt, wird gemäß der Erfindung ein Motor geschaffen j welcher eine wirkungsvolle Verbrennung des Kraftstoffes in

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Gegenwart eines Luftüberschusses bei Teillastbedingungen schafft und weiterhin die gesamte Luft bei Vollastbedingungen verbraucht und dabei eine rauchlose Verbrennung ermöglicht.

In den Pig. 1 bis 4A ist eine AusfUhrungsform eines Motors dargestellt, dessen Verbrennungsprozeß mit Preßluft - verdichtet Luft und geschichtetem» imprägniertem Gemisch arbeitet. Die Einzelheiten der Konstruktion des Motors sind in allen Pig« gleich. Die Pig. I und IA zeigen das Luftwegschema, welches durch die Preßwirkung des Kolbens während des Kompressionshubes erstellt wird· Die Pig. 2 bis 4A zeigen den Luftweg und die Gemi&chwolkenbildung während leichter, mittlerer und Vollastbedingungen.

In den Pig. 1 bis 4 ist uit Io ein Motorblock bezeichnet. Dieser weisi; eine zylindrische Bohrung 12 auf» die durch einen Zylinderkopf 14 verschlossen ist. Der Kopf hat eine flache, geneigte, innere Oberfläche 15 und umfaßt Einlaß- und Auslaßventile, die nicht dargestellt sind» Das Einlaßventil wird so ausgelegt, daß der angesaugten Luft nur eine mikroskopische Turbulenz erteilt wird, die zur Kraftstoffvergasung und Verbrennung erforderlich ist. Die Bohrung 12 nimmt gleitbar und abgedichtet einen ringförmigen, hin- und herbewegten Kolben 16 auf, welcher zusammen mit dem Kopf 14 und den Wandungen der Bohrung einen Raum 18 definiert. Der Kopf 19 des Kolbens ist in den. meisten Pällen flach und parallel zur inneren Oberfläche 15 ausgebildet. Er ist an einer Seite mit einer Verbrennungskammer 2o ausgerüstet, welche im wesentlichen halbmondförmig ausgebildet ist, wie dies deutlich und besser aus Pig. IA zu ersehen ist*

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Die Anordnung der Verbrennungskammer in Nähe der Zylinderwandung Bohafft einen Druckbereich zwischen der Kolbenkopffläche 19 und der Zylinderkopffläche 15 von 5o bis 85 #.

Die geneigten Flächen 15 und 19 des Zylinderkopfes und Kolbenkopfes schaffen einen axialen Luftstrom parallel zur Zylinderkopffläche und zur Verbrennungskammer 2o hin während der Preflwirkung, wie dies durch die Pfeile 21 dargestellt ist. Die Luft fließt in im wesentlichen parallelen Luftströmen, wie ebenfalls in Pig. IA ersichtlich, ohne daß eine innige Mischung zwischen den einzelnen Schichten bzw. Lagen auftritt. Während des Korapressionshubes wird die Luft daher in einer zunehmenden Menge von dem Raum 18 in die Verbrennungskammer geführt. Nach Erreichen des oberen Totpunktes dehnt sich der abnehmende Hochdruckluft8trom aus und folgt dem Schema, welches in Fig. IA dargestellt ist, wobei die Fluggeschwindigkeit im wesentlichen ansteigt. In der Kammer folgt der Druckluftfluß den begrenzenden Wandungen und schafft eine Luftdrehung, die durch die Pfeile 22 dargestellt ist.

Die Kraftstoffeinepritzdiise 24 ist im Bereich der Zylinderwandung am Zylinderkopf angeordnet. Sie weist eine solche Winkelstellung auf, daß der Kraft stoff spray in alle Bereiche der Verbrennungskammer 2o und zur Kammer 18 hin gegen den Druckluftstrom gerichtet wird. Die Einspritzdüse 24 kann ebenso in der Zylinderwandung in Nähe des Zylinderkopfes angeordnet sein_s wenn dies gewünscht wird. Die Düse ist eine bekannte Niederdruckart, beispielsweise 7 bis 7o kg pro cm . Sie weist eine nach außen offene Düse auf, welche

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symmetrisch hinsichtlich der Urafangserstreckung der Verbrennungskammer angeordnet ist und liefert einen Brennstoff- oder Kraftotoffspray mit einem beispielsweise 60 bis 12o° großen Konuskegel. Die Düse kann auch eine feste öffnung aufweisen.

Eine Zündkerze 28 ist mit ihren Elektroden in der Zylinderwandung angeordnet, wobei der Zwischenraum zwischen den Elektroden unmittelbar in Nähe der Spitze der Einspritzdüse angeordnet ist« Die Funkenstrecke der Zündkerze ist auch so angeordnet, daß sie in Nähe oder in der Ebene des Preßluftstromflu.'soes liegt, welcher die Mittellinie des Kraftotoffsprays vor der Totpunktstellung dos Kolbens beispielsweise bei Io bis 35° unterschneidet.

Die Fig. 2 und 2A zeigen den Motor während Leichtlastbedingungen» Während des Ansaughubes des Kolbens wird die Zylinderbohrung mit einer Menge von Luft durch das nicht dargestellte Einlaßventil im Zylinderkopf gefüllt. Das Ventil schließt sich dann und der Kolben beginnt seinen Kompressionshub. Die gestrichelte Linie 32 in Figo zeigt die Stellung des Kolbens 16 zu dem Zeitpunkt, wenn d«r Kraftstoff von der Düse 26 abgegeben wird. Der Beginn des Einspritzens ändert sich natürlich in Abhängigkeit von der Belastungs d.h. die Einspritzungsendpunkte sind für leichte und mittlere Belastungen im wesentlichen die gleichen und nur leicht vorgeschoben für hohe und Vollastung. Aufgrund der gleichmäßigen Einspritzrate wird der Beginn des Einspritzens in Abhängigkeit vom Anstieg in der Belastung vorverlegt. Für eine leichte Belastung wird daher der Kraftstoff später innerhalb des Kompressionshubes eingespritzt und hat nur eine

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kurze Dauar, wobei die Einspritzung beispielsweise zwischen 2o und 5o° vor der Totpunkteteilung des Kolbens endet. Zum Zeitpunkt des Einspritzens wird der Kraftstoff radial in die Verbrennungskammer 2o unmittelbar gegen den sich drehenden Luftfluß und weiterhin zu · dem Zylinderraum 18 hin unmittelbar gegen die axiale Bewegung der parallelen Druckluftflußotröme "versprüht. Die Einspritzung erfolgt mit aolchen niedrigen Einspritzdrücken und Sprühkegelwinkel, wobei auch der Beginn des Einspritzens so spät innerhalb des.Kompressionshubes erfolgtj daß die Kraftstoffpartikelchen zu Beginn in der Kammer und dem Zylindervolumen in die Preßluft eintreten können, ^edooh nur bis zu der strichpunktierten Linie 34» bevor ein Zurückdrehen in die Kammer durch den Luftfluß bewirkt wirdο Der Kraftstoff wird auf diese Weise schnell verteilt und wirkungsvoll vergast» Die Linie 34 ist so berechnet, daß sie die Linie darstellt, an welcher sich die Geschwindigkeit der gegeneinander gerichteten Kraftstoffpartikelchen und Luftströme aufheben, wobei anschließend die Preßluft die Kraftstoffpartikelchen zurückdreht.

Bei weiterem Anstieg des Kolbens zu der,in vollen Linien dargestellten Stellung 36 wird die Geschwindigkeit des Preßluftstromes grosser und die Luft dichter. Hieraus resultiert, daß die Tiefe des Eindringens der Kraftstoffpartikelchen mit dem weiteren Anstieg des Kolbens und der konstanten Rate des Einspritzens progressiv abnimmt. Der eingeepritzte Brennstoff kann einen geringen Teil der Verbrennungskammeroberfläche benetzen, jedoch benetzt er nicht die Zylinderwandungen, Hieraus resultiert eine einwandfreie und wirkungsvolle Vergasung des Brennstoffes. Die Druck- bzw. Preßluft fährt weiter fort, den Brenn-

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stoffspray zurück in die Kammer 2o zu drehen, wie dies durch die Pfeile 38 in Pig. 2 dargestellt ist, und der Kraftstoff, der in die Kammer eingespritzt wurde, wird durch die sich drehenden Luftströme ebenfalls gedreht. Hieraus resultiert eine ansteigende Anreicherung der Gemischwolke zum Zentrum hin gegenüber der Einspritzdüse und der Funkenstrecke der Zündkerze.

Es ist offensichtlich, daß die Brennetoffluftgemischwolke, die durch die Pünktchen angezeigt und durch die Dispersion des Kraftstoffes in der luft erzielt wird, im wesentlichen rohrförmigen Querschnitt aufweist mit einer geringen Umfangslänge bei leichter oder geringer Belastung und daß sie im wesentlichen vollständig innerhalb der Verbrennungskammer 2o enthalten ist. Der Zündpunkt erfolgt nach dem Beginn des Einspritzens zu einem Zeitpunkt, der durch entsprechende Berechnungen bestimmt wird, wenn die Brennstofftröpfchen vergast sind und gerade mit der richtigen Menge der Preßluft vermischt sind, um daher ein stöchioraetriachea oder chemisch korrektes Brennstoffluftgemisch innerhalb der Verbrennungskammer an einem Punkt in Nähe der Funkenstrecke der Zündkerze zu bilden. Das Bünden der Zündkerze 28 zu diesem Zeitpunkt durch entsprechende Zeitkontrollvorrichtungen, die nicht dargestellt sind, ermöglicht dann ein vollständiges Verbrennen der Gemischwolke durch die Entzündung des Gemisches an der Zündkerze und die daraus folgende Verbrennung des verbleibenden Gemisches durch das Fortschreiten der Flammenfront durch die Kammer. Die unter Druck stehende Luft in dem verbleibenden Zylindervolumen ist im wesentlichen Frischluft. Hieraus resultiert, daß

der Motor mit einer rauchlosen Verbrennung und mit hoher Wirksamkeit

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arbeitet, wobei lediglich ein Teil der insgesamt angesaugten Luft benutzt wird.

Bei leichter Belastung ist, wie beschrieben, die Geraiechwolke von relativ kleiner Eretreckung» Die Größe der Wolke wird natürlich von einer Vielzahl von Paktoren 'beeinflußt. Die Umfangserstreckung der Wolke variiert in Abhängigkeit von dem KonuBWinkel des Kraftctoffspraye und der Geschwindigkeit der Preßluft. Außerdem wird sie durch die Form der Verbrennungskammer und die Dauer des Einspritzens i beeinflußt«. Die radiale Stärke der Wolke variiert in Abhängigkeit von der Dichte des Preßluftstromes und verändert sich daher mit dem früheren Beginnen des Einspritzens bei einem Ansteigen der Belastung» Die axiale Erstreckung der .Volke verändert sich in Abhängigkeit vom Konuswinkel des Sprays und eier Tiefe des Eindringens der Kraftstoffpartikelchen in die Preßluft. Daher verändert sie sich mit dem Wechsel des Beginnes des Einspritzpunktes. Steigt die Belastung an, erfolgt somit ein früherer Beginn des Einopritzens* steigt daher die Dauer des Einspritzvorganges und die Größe der Gemiuchwolke an«

Wie bereits vorher festgestellt«, erteilt das An:.-augventil dem Luftstrom die erforderliche Turbulenz zur Bcochleunigung der Kraftstoffvergasung und Verbrennung. Die; Größe der Turbulent steht in Abhängigkeit von der Ansaugluftgeschv/inäiglccitj, und der Querschnittbereich des \^entiles wird nur so groß sein,, um eine mikroskopische Turbulenz .:u schaffen, welche eine wirksame Verbrennung ermöglicht.

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Das Verfahren kann mit üblichen, unraaslcierten Ansaugventilen durch Kontrolle der Größe des Ansaugventiles durchgeführt werden oder durch Veränderung des Durchmessers der Ansaugleitung unmittelbar oberhalb des Ansaugventiles, um eine optimale mikroskopische Turbulenz zu erzeugen.

Die Figo 3 und JA zeigen die Arbeitsweise während einer mittleren Belastung des Motors. Steigt die Belastung am Kolben* so steigt auch die Menge des erforderlichen Kraftstoffes, um den notwendigen Druck hervorzurufen, an. Auö diesem Grunde erfolgt der Beginn des Einspritzens des⁴"K?^>aftstoffsprays früher als während der leichten Belastungsbedingungen gemäß Fig. 2 und dauert entsprechend langer, da die Einspritzendpunkte im wesentlichen dip gleichen für leichte und mittlere Lastbedingungen sind. In den Fig. 3 und 3A bezeichnet die gestrichelte Linie 4o die Stellung des Kolbens in dem Augenblick, wenn die Kraftstoffeinspritzung beginnt. Aufgrund der früher beginnenden Einspritzungist die Preßluft weniger dicht, und ihre Geschwindigkeit bei dieser Stellung des Kolbens ist ebenfalls geringer. Aus diesem Grunde kann der Kraftstoffspray tiefer und weiter in den Preßluftstrom innerhalb des Zylindervolumens' eindringen, und zwar zu der Stellung, die mit der strichpunktierten Linie 42 dargestellt ist. Die Umfangserstreckung und die Größe der Kraftstoffluftgemischvcolke ist daher größer als in Fig. 3Λ dargestellt.

Kommt der Kolben an seinem oberen Totpunkt, übertrifft die schnell ansteigende Geschwindigkeit der Preßluft die Geschwindigkeit der Kraftstoffpartikelchen, und zwar um so mehr, je mehr der Kolben an-

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steigt» Aus diesem Grunde werden flir jede Stellung des Kolbens die Kraftstoffpartikelchen zurück in die Verbrennungskammer getrieben, wie dies durch die gedrehten Pfeile dargestellt ist» und zwar bevor der Spray normalerweise die Zylinderwandungen und den Kolbenkopf berühren und damit benetzen und benässen würde« Aus diesem Grunde wird die Eindringtiefe und -weite der Kraftstoffpartikelehen immer geringer und geringer» je mehr der Kolben progressiv nach oben zu seinem Totpunkt hin ansteigt,, Wiederum erfolgt eine Initialzündunge wenn der Kolben die voll dargestellte Stellung erreicht* wobei beispielsweise in diesem Punkt der Teil der Kraftstoffluftgemisohv/olke in Nähe der Funkenstrecke der Zündkerze die optimale Gemischstärke erreicht„ d.h. eine chemisch korrekte Mischung dar stellt, die eine vollständige Verbrennung des Gemisches ermöglicht. Es ist offensichtlich, daß bei mittlerer Belastung mehr der angesaugten Luft benutzt wird, wobei der Anteil- so groß ist, daß eine optimale Verbrennung sichergestellt ist.

Die Fig. 4 und 4A zeigen den Preßluftverlauf und die Kraftstoff-Luft-Güinischwolke unter hohen Lastbedingungen. Die Einspritzung erfolgt wiederum früher und dauert damit länger. Auch wird der Einspritzendpunkt leicht vorgerückte Der Kolben wird sich in der gestrichelt bei 48 dargestellten Stellung zu Beginn der Einspritzung befinden« Dieses ermöglicht ein tieferes und weiteres Eindringen der Kraftstoffpartikelchen in den Zylinderraum bis zu der gestrichelt dargestellten Linie 49 aufgrund der geringeren Dichte und Geschwindigkeit der Preßluft zu diesem Zeitpunkt. Das Ansteigen des Kolbens wird nach und nach die Geschwindigkeit der Preßluft er-

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höhen und entsprechend die Kraftstoffluftpartikelchen früher in die Verbrennungskammer zurücktreiben« «fahrend die Einspritzung mit einer wesentlichen konstanten Rate weiter erfolgt ^. so daß eine Kraftstoff-Luft-Gemischwolke von einer Größe geschaffen wird₀ welche im wesentlichen die Verbrennungskammer ausfüllt. Das Semisch wird in der Ebene der Zündkerze das reichste sein» und die Enden der Kammer werden von Frischluft oder mageren Gemischtaschen ausgefüllt» Auch befindet sich Frischluft oder mageres Gemisch in dem Druckraum aufgrund der größeren Initialkraftstoffeindringung durch den früheren Beginn des Einspritzvorgangea·

Bei dieser Ausführungsform ist ein kurzer Zeitraum zwischen dem Ende des Einspritzvorgang.es und der Zündung vorgesehen. Dies ermöglicht, daß sich Teile der Luft in dem Druekbereioh mit dem Kammerinhalt vermischen. Zum Zeltpunkt des Einspritzsns füllt daher ein magereres Gemisch oder Frischluft die beiden Enden der Kammer und den Druckbereich des Zylinders. Diese Verteilung verringert die sogenannte Klopfgefahr. Die Zündung erfolgt, wenn der Kolben die voll dargestellte Stellung bei 5o erreicht, d.h. wenn die Gemischwolke mit genügend Luft gemischt ist, um ein chemisch korrektes Gemirch im Bereich der Funkenstrecke der Zündkerze zu bilden und um eine vollständige Verbrennung zu gewährleisten. Die Flammenfront verteilt sich nach außen hin und verbrennt das magerere Gemisch an den Enden der Kammer und im Druckbereich vollkommen« Auf diese Weise wird bei Vollastbedingungen der gesamte Luftanteil verbraucht.

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Während die Verbrennungskammer gemäß Figo 1 bis 4 im wesentlichen halbmondförmig in einer Ebene ausgebildet ist,» ist es selbstverständlich? daß andere Formen der Verbrennungskammer ebenfalle mit dem gleichen Resultat benutzt werden können.

Die Wirkung einer Veränderung der Form der Verbrennungskammer und des Druckbereiches sind bedeutende Faktoren, um optimale Mischverhältnisse zu schaffen» Durch Vergrößerung des Druckbereiches wird bewirkt, daß mehr Luft in die Kammer fließt«. Bei einer gegebenen Belastung benötigt man kürzere aber größere Einspritzmengen_o Die Verringerung der Einspritzdauer bedingt kürzere Spraydurchdringung und daher größere Kraftstoffkonzentration und erhöhte Lastbedingung« Aus diesem Grunde kann gesagt werden, daß eine Vergrößerung des • Druckbereiches eine Vergrößerung des Gehaltes der Gemischwolke bei gesteigerten Lastbedingungen bewirkt.

Die Vergrößerung des Verhältnisses von Verbrennungskammerlänge zur radialen Weite der Kammer resultiert in einem weiteren Preßluftstrom. Aus diesem Grund wird bei leichter Belastung mit einem gegebenen Konuswinkel des Kraftstoffsprays ein verringerter Teil der Verbrennungskammerluft mit der gleichen Menge von Kraftstoff imprägniert. Es kann festgestellt werden, daß «1- 7w*größem der Verbrennungskammerlänge in einem Vergrößern des Gehaltes der Gemischwolke bei Leichtlastbedingungen beruht, aufgrund der Tatsache, daß weniger Luft durch den Kraftstoff imprägniert wirdo Umgekehrt resultiert ein Verkleinern der Kammerlänge in einer Vermagerung der Leichtlastgemischwolke. Wird die Umfangserstreckung der Kammer ver-

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ringerfc, wird der allgemeine Gehalt des Gemisches vergrößert? da der Preßluftstrom in stärkerem Maße konvergiert und von den parallelen Stromlinienausbildungen abgelenkt wird, wenn er in die Kammer gelangt, .

Pig» 5 bis 12A zeigen andere Ausführungsformen der Verbrennungskammer, bei weloher dieses druckimprägnierte ₉ geschichtete Gemiechverbrennungsverfahren eingesetzt wird.

In jeder der Pig. 4 bis 9A sind die Einspritzdüse und die Zündkerze im wesentlichen in der gleichen Stellung wie bei den vorhergehenden Einrichtungen gemäß den Pig, 1 bis 4A angeordnet. In den Pig. Io bis 12A wurddie Anordnung der Einspritzdüse und der Zündkerae jedoch geändert? entweder aufgrund der kürzeren Umfangslänge oder größeren radialen Erstreckung der Verbrennungskammer« In diesen letzteren Fig. macht es die sohneile Konvergenz der Luftstrom zur Verbrennungskammer hin wünschenswerte oin gewisses Mischen des Brennstoffes mit der Luft in dem Druckbereich zu schaffen, in welchem die Luftströme noch im wesentlichen parallel zueinander sind, Andererseits kann die ausgedehnte Mischung und Turbulenz« welche in dem rückwärtigen Teil der Verbrermungskanmer durch die zusammenstoßenden Ströme erfolgt, die Gemischwolke hinsichtlich der optimalen Verbrennung zu weit ausbreiten,, Aus diesem Grund sind die Zündkerze und die Einspritzdüse an Stellen versetzt, welche ein optimales Kraftstoffluftverhältnis und eine vollständige Verbrennung schaffen. In den Pig. Io bis 12A wird der Kraftstoff gegen die Preßluft an einem Ort eingespritzte welcher mehr zur Front der Verbrennungakammer hin gelegen ist als gemäß den Fig« 1 bis 9A,

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Fig* ■ 13 zeigt eine weitere Abänderung der Erfindung., Bei dieser Auaführungsform hat der Motor eine keilförmig ausgebildete Verbrennungskammer 60, welche im Zylinderkopf 62 anatatfc Im Kolben 64? wie voraufgehend beschrieben? liegt» Diese Konstruktion, paßt sich . mehr der üblichen Konstruktion von Verbrennungsmaschinen an» Jedoch tritt dieselbe Arbeitsweise ein_o Der Zylinder ist aufgrund eines nicht abgedeckten Lufteinlaßventlies» welches im wesentlichen keinen Wirbel und keine Turbulenz in der Luft bewirkt, mit frischer Luft gefüllte Bewegt sich der Kolben 64 bei seinem Kompressionshub, bewirkt die Druckbewegung,, daß die Luft axial nach links in parallelen Luftströmen in die Kammer 60 hineinfließt und daß'dort eine Umdrehung der Luft eintritt* Der Kraftstoffspray wird in der gleichen Weise wie bei der vorhergehend beschriebenen AusfUhrungsform eingeführt, doho der Beginn des Einspritzens und die Dauer des Einspritzvorganges wird entsprechend der Last variiert. .Der Kraftstoff wird durch eine Einspritzdüse 68 in die Kammer und den ZyIInderraum direkt in und gegen die Preßluftströme geführt» Der Kraftstoffspray dringt in das Zylindervolumen zu Beginn mit einer Tiefe und^: Weite ein, welche proportional der Last ist, ohne daß die Oberflächendes Kolbens oder der Zylinderwandung und des Zylinderkopfes benetzt wardens d.ho die Geschwindigkeit der Kraftstoffpartikelchen und der Druckluft sind gerade zu diesem Zeitpunkt gleiche Eine im wesentlichen rohrförmig ausgebildete Gemischwolke wird am reichsten iia Bareich der Zündkerze bzw, der Funkenstrecke und wird dann durch die Zündkerze 7o gerade zu. diesem Zeitpunkt gezündet und dabei eine vollständige Verbrennung erreicht» Lediglich ein Teil der gesamten angesaugten Luft wird bei Teillastbedingungen verbraucht, während im wesentlichen die Geeamtluftmenge bei Vollastbedingungen benötigt wird. 90982b/084t

Die Erfindung wurde im voraufgehenden hinsiohtlich bevorzugter Ausführungsformen an Hand der Pig. erläutert, jedoch ist es offensichtlich, daß, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen» viele Änderungen vorgenommen werden können· So können selbstverständlich anstelle der dargestellten und beschriebenen Sinzylindermotore Hotore benutzt werden, welche eine Vielzahl von Zylinder und Kolben haben. Weiterhin kann festgestellt werden» daß, da die Preßwirkung so stark ist« daß sie jede Wirbelbewegung der Luft, übertrifft, die beim Ansaugen der Luft eintreten kann, das Verfahren auch mit maskierten und geformten Ansaugventilen ausgeführt werden kann. So können beispielsweise Ansaugluftdrehungen mit einem oder zwei Wirbel erzeugt werden, welche Zentrallinien aufweisen, die senkrecht zur Zylinderbohrung und parallel zur Richtung der Druckluftströme stehen» !Die Anwendung dieser Bewegung würde in einem magereren Gemisch bei Hochlastbedingungen resultieren^ da die vergrößerte Turbulenz ein Vermischen zwischen den Druckluftlagen bedingt, jedoch würde nur eine geringe Beeinflussung des Mischverhältnisses bei mittlerer Last und überhaupt nicht bei Leichtlastbedingungen auftreten.

Auch würden die gleichen Wirkungen durch den Einsatz von Ansaugventilen erzielt werden, welche der eingesaugten Luft eine leichte axiale Wirbelbewegung erteilen. In diesen Fällen würden die Stromlinien der Preßluftqtröme durch die axiale Wirbelkomponente verändert, und daher würde die Verbrennungskammer und die Zündkerze in die Richtung der axialen Wirbel relativ zur Einspritzdüse versetzt werden, .

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Claims

Pa te η tansprüche;

1. Brennkraftmaschine mit einer vorzugsweise im Kolben liegenden, exzentrisch zur Zylinderachse angeordneten, als Wirbelkammer ausgebildeten Brennkammer und einer schräg von außen in die Brennkammer mündenden Einspritzvorrichtung für den Brennstoff sowie einer ebenfalls in die Brennkammer ragenden Zündeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (2o) in Richtung ihrer Längsachse eine solche Form aufweist, daß der vertikale Querschnitt durch die Kammer, in Richtung der Längsachse gesehen, im wesentlichen gleich ist,

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (2o) eine längliche, sich der Zylinderwandung im wesentlichen anschmiegende Form aufweist.

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