DE1576014C3 - Luftverdichtende Hubkolben-Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine luftverdichtende

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Hubkolben-Brennkraftmaschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung in einen drehsymmetrischen, zur Zylinderachse koaxialen Brennraum sowie mit drallbildendem Einlaßorgan für die in den Brennt aum einzubringende Verbrennungsluft

Es ist im Molorenbau bekannt daß die Optimierung der Leistung eines Motors und der Anteil, insbesondere dessen schädlichen Emissionen, weitgehend vom Ablauf der Verbrennung von Kraftstoff- mit Luftbestandteilen abhängen. Um diesen Verbrennungsablauf tu verbessern, werden in neuerer Zeit Verfahren verfolgt, bei denen den Kraftstoffbestandteilen nach Möglichkeit nur so viele Luftbestandteile zugeführt werden, wie sie für die gewünschte Verbrennung notwendig

65 sind. Versuche haben gezeigt daß bezogen auf einen Füllungsgrad von 1 beispielsweise ein Dieselmotor einen Mitteldruck von 16 pmi erreichen könnte, wenn die Vermischung der Kraftstoff- mit den Luftbestandteilen vollständig wäre. Daß aber nur etwa 50 bis 70 % dieses gewünschten Mitteldruckes erreicht werden, liflgt vielfach in der mangelnden Ordnung des Mischvorganges.

Für den Mischvorgang gibt es hierbei die alten Methoden des kräftigen Durcheinanderwirbeins von Kraftstoff- und Luftbestandteilen oder die Verteilung der Kraftstoffbestandteile über den ganzen Brennraum durch möglichst viele Düsenstrahlen. Für solche Mischvorgänge ist es dabei gleichgültig, wie die Verbrennungsluft in den Zylinder bzw. Brennraum eingebracht wird, da die außerhalb des Zylinders befindlichen Ansaugorgane keinen Einfluß auf den Mischvorgang nehmen. Anders ist es hingegen bei Misch vorgängen, die durch mindestens ein drallerzeugendes Organ, vorzugsweise in der Ansaugleitung außerhalb des Zylinders, aufbereitet werden. Bei solchen Mischvorgängen wird die Verbrennungsluft während des Einlaßhubes in rasche Umdrehung gebracht so daß sie am Kraftstoffstrahl odc: an der Aufdampfstelle des Kraftstoffes an der Brennraumwand vorbeigedreht wird und sich mit Kraftstoffdampf vermischen kann (vgL MTZ 1965, S. 229 bis 338).

Ferner ist eine luftverdichtende Einspritzbrennkraftmaschine mit drallbildendem Einlaßorgan bekannt bei der die Einlaßleitungen dreier Zylinder, deren Steuerzeiten sich nicht wesentlich überschneiden, in einen gemeinsamen Saugstutzen münden. Zur Unterdrückung von störenden Luftschwingungen, die durch Resonanz in den Ansaugleitungen oder Reflexionen in diesen hervorgerufen werden, erfolgt die Einlaßöffnung dann, wenn zwischen Zylinder und Einlaßleitung Druckausgleich herrscht. Andererseits ist bei dieser Brennkraftmaschine die Länge des Saugstutzens so abgestimmt daß in ihm die Luftmenge für einen Zylinder enthalten ist Unter diesen Bedingungen wird die Luftsäule allein von der Bewegung des Kolbens beschleunigt und es erfolgt diese Beschleunigung derart daß ein Drall der Verbrennungsluft im Brennraum erhalten bleibt Vesuche haben indessen ergeben, daß für eine optimale Verbrennung von Kraftstoff- mit Luftbestandteilen der Drall der Verbrennungsluft allein noch mcht ausreicht sondern auch dem Mischungsverhältnis zwischen Kraftstoff- und Luftbestandteilen Rechnung getragen werden muß (vgl. US-PS 3 146 764).

Darüber hinaus ist es bei einer Brennkraftmaschine bekannt die Steuerzeiten für das öffnen und Schließen der drallerzeugenden Mittel so zu verstellen, daß der in den Zylinderraum einströmenden Verbrennungsluft eine solche Winkelgeschwindigkeit erteilt wird, daß der Kraftstoff auf die Luftladung um den ganzen Umfang des Brennraumes herum gleichförmig verteilt wird, dabei jedoch die einmal mit Kraftstoff gemischten Luftbestandteile nicht wieder mit dem Kraftstoffstrahl oder den Kraftstoffstrahlen in Berührung kommen. Zwar werden bei einer solchen Brennkraftmaschine gleiche bis annähernd gleiche Winkelgeschwindigkeiten in den einzelnen Luftschichten im Brennraum erreicht, doch wird ernstlich bezweifelt, ob diese Winkelgeschwindigkeiten bei radialer Einspritzung des Kraftstoffes auch über die ganze Einspritzdauer aufrecht erhalten werden können (vgl. DT- PS 490 094).

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Gemischbildung zwischen Kraftstoff- und

i Luftbestandteilen bei einer Brennkraftmaschine unter Beibehaltung einer großen Luftausnutzung und möglichst geringem Kraftstoffverbrauch zu verbessern.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer luftverdichtenden Hubkolben-Brennkraftn.aschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Drehgeschwindigkeitsunterschied der einzelnen Luftschichten dem Durchmesserverlauf des Biennraumes angepaßt ist, daß die Einspritzung des Kraftstoffes in den Bereich der Schwerkreise der einzelnen Luftschichten erfolgt, >ind ilaß in an sich bekannter Weise die Verbrennungsluft nur einmal in den Kraftstoffstrahl gedreht wird.

Durch diese Maßnahmen wird nicht nur die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe vorteilhaft gelöst, «5 sondern es wird darüber hinaus ermöglicht, eine optimale Verbrennung der Kraftstoff- mit den Luftbestandteilen durchzuführen, so daß auch günstige Emissionswerte erreicht werden. Ein weiterer Vorte4 der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß schon allein durch die Saugwirkung des Kolbens die notwendigen Liefergrade an Verbrennungsluft erreicht werden können, so JaB auf Zusatzaggregate, wie beispielsweise Luftpresser. Turbolader und anderes, nur in Ausnahmefällen zurückgegriffen zu werden braucht Die Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahmen läßt sich zudem auch ohne großen Aufwand bei verschiedenen Motortypen durchführen, da gute Leistungswerte schon durch Anpassung der Ansauggruppe an die vorhandenen Brennraumformen allein, erzielt werden können. Durch das Einspritzen des Kraftstoffes im Bereich der Schwerkreise der einzelnen, mit gleicher Winkelgeschwindigkeit drehenden Luftschichten wird ferner sichergestellt, daß die einzelnen Kraftstoffbestandteile ausreichend viele Luftbestandteile für deren optimale Vermischung und Verbrennung im Brennraum vorfinden, so daß in keiner Phase des Verbrennungsablaufes frischer Kraftstoff an schon verbrannte Luft gebunden wird oder bei zu geringer Winkelgeschwindigkeit ein Teil der frischen Verbrennungsluft ungemischt bleibt und andere frische Verbrennungsluft zu viel Kraftstoff an sich bindet.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich ferner dadurch aus, daß zum Aufbauen der erforderlichen Drehgeschwindigkeit der Luftschichten die nicht dem Durchmesserverlauf des Brennraumes angepaßten Luftschichten noch im Laufe des Spülvorganges aus dem Brennraum und/oder Zylinder in den Auspuff geblasen werden.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß unabhängig so von der Art des Brennraumes, allein durch d>e individuelle Bemessung der Steuerzeiten der Ein- und Auslaßorgane die notwendigen Winkelgeschwindigkeiten in den einzelnen Luftschichten aufgebaut werden können. Es ist also nicht erforderlich, zusätzlich zu den Steuer- SS zeiten besondere Maßnahmen zu ergreifen

In Fällen, in denen vermieden werden soll, daß Krsiftstoffbestandteile auf die Brennraumwand gelangen, kann nach einem weiteren Merkmal der Erfindung der Kraftstoff innerhalb der Schwerkreise der drehenden Luftschichten in den Brennraum eingespritzt werden.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit einer den einzelnen Brennräumen vorgelagerten Ansauggruppe, bestehend aus einer gemeinsamen An- saugleitung mit an dieser angeschlossenen Ansaugstutzen für sich im Ansaugtakt nicht überschneidende Zylinder, wobei im Bereich der Einlaßöffnungen der Zy linder die Saugstutzen die drzllbildenden Organe aufweisen, die Steuerzeit für das jeweilige Einlaßventil in der Einlaßleitung und die Masse der in der Ansauggruppe vorgelagerten Ansaugluft so aufeinander abgestimmt sein, daß die Hauptmasse der Ansaugluft das drallbildende Organ bei voligeöffhetem Einlaßventil durchläuft

Dadurch wird eine hohe Drehgeschwindigkeit erreicht, wobei dieser noch zugute kcmmt, daß gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung die Auslaßöffnung bis zum Etido der Einlaßzeit offen gehalten bleibt

Auch zeichnet sich ein weiteres Merkmal der Erfindung dadurch aus, daß die Längen der Ansaugleitungen der Ansauggruppe dem Energiebedarf der Drallbildung und, wie an sich bekannt, der Füllung des Brennraumes angepaßt sind.

In der Zeichnung sind einige Ausführungsformen von Brennräumen nebst einer Ansauggruppe und in Frage kommende Steuerzeiten schematisch dargestellt Es zeigt

F i g. 1 einen für einen Kolben geeigneten Brennraum mit großer Brennraumöffnung und spitzwinkligen, engen Brennraumboden,

F1 g. 2 einen Brennraum nach F i g. 1 jedoch mit kleiner Brennraumöffnung und großflächigem Brennraumboden,

F i g. 3 einen zylindrischen Brennraum, F i g. 4 einen kugeligen Brennraum,

F i g. 5 einen kugeligen Brennraum mit abgeschnittener Kugelkappe,

F i g 6 eine Ansauggruppe für drei sich im Ansaugtakt nicht überschneidende Zylinder,

F i g. 7 eine Draufsicht auf einen Brennraum mit dem Drehwinkel der Luftschichten während der Einspritzzeit und der tangentialen Lage des Kraftstoffstrahles im Schwerkreis der Luftschichten,

Fig.8 den Druckverlauf im Zylinder während des Auspuff und Ansaugtaktes.

Unter Berücksichtigung der der Erfindung zugrunde liegenden Kriterien, daß die Drehgeschwindigkeit der Verbrennungsluft 9 auch der Form eines Brennraumes angepaßt sein soll, ist es notwendig, daß z. B. bei einem Brennraum nach F i g. 1 die zuerst in diesen Brennraum einzubringende Verbrennungsluft wenig Drehgeschwindigkeit aufweisen muß, während die zuletzt eingebrachte Verbrennungsluft eine sehr hohe Drehgeschwindigkeit benötigt, wenn die erfindungsgemäße Forderung erfüllt werden soll, daß während der Einspritzzeit des Kraftstoffes diese Verbrennungsluft nur einmal am Kraftstoffstrahl 8 vorbeizudrehen ist.

Die umgekehrten Verhältnisse ergeben sich bei einem Brennraum nach Fig.2. Ein Brennraum nach Fig.3 benötigt eine konstante Drehgeschwindigkeit aller Luftschichten, während der kugelige Brennraum nach F i g. 4 dem natürlichen Anlauf und Auslauf der Verbrennungsluft am besten angenähert ist.

Diese im weiteren mit »Drehgeschwindigkeitsordnung« bezeichnete Gestaltung der !Drehgeschwindigkeit aller Luftschichten gilt es nach der vorliegenden erfindungsgemäßen Lehre in der Ansauganlage, d. h. in der Ansaiiggruppe, herzustellen, d. h. die Drehgeschwindigkeit der durch ein Drallorgan in einen Zylinder einlaufenden Verbrennungsluft muß dem Verlauf des Brennraumdurchmessers so angepaßt werden, daß im Augenblick der Kraftstoffeinspritzung alle Luftschichten annähernd die gleiche Winkelgeschwindigkeit aufweisen, und daß diese Winkelgeschwindigkeit nach der Einspritzzeit des Kraftstoffes bemessen wird.

Dreht nämlich die ganze Masse der Verbrennungsluft 9 oder nur eine Schicht zu schnell, dann läuft die bereits brennende Mischgasfront in den Kraftstoffstrahl 8 hinein und bindet frischen Kraftstoff an schon verbrannte Luft. Ist dagegen die Winkelgeschwindigkeit zu gering, dann bleibt ein Teil der frischen Verbrennungsluft ungemischt und die übrige Luft hat zu viel Kraftstoff aufgenommen.

In beiden Fällen entsteht aber keine optimale Leistung der Brennkraftmaschine, sondern nur eine rußende Verbrennung.

Die innerhalb der einzelnen Luftschichten erforderliche Vermischung von Luft- und Kraftstoffbestandteilen entsteht dadurch, daß das brennende Gas sich zum Zentrum des Luftwirbels und die schwerere, unverbrannte Frischluft nach außen zum Kraftstoffstrahl hin drängen.

Die Gestaltung einer vorgeschilderten Drehgeschwindigkeitsordnung für die in den Brennraum nach F i g. 5 einströmende Verbrennungsluft ergibt sich dadurch, daß bei dieser Brennraumform der sonst natürliche Auslauf der Luftdrehung entsprechend F i g. 4 hier nicht mehr stattfindet, sondern die Zuströmung der Frischluft entsprechend dem abgeschnittenen Kugelabschnitt abrupt gestoppt wird.

Die gemäß F i g. 6 dargestellte Ansauggruppe für die drei, sich im Ansaugtakt nicht überschneidende Zylinder mit beispielsweise in ihren Kolben vorgesehenen Brennräumen nach Fig.5 wird im wesentlichen von einem Rohrteil t, einem Rohrteil 2, einem Drallorgan 3 in jedem Rohrteil 1, je einem Einlaßventil 4 und einem Auslaßventil 5 pro Zylinder gebildet Die Rohrteile 1 dreier Zylinder sind am gemeinsamen Rohrteil 2 angeschlossen, und es ist dieses Rohrteil 2 mit einem Druckausgleichsbehälter 6 und einem zu einem Luftfilter führenden Rohr 7 verbundea Hierbei nehmen die Rohrteile 1 die zwischen den Ansaugtakten ruhenden Luftsäulen auf, und es nimmt das Rohrteil 2 die zwischen den Ansaugtakten ständig bewegte Luftsäule auf. Die gesamte Länge von Rohrteil 1 und Rohrteil 2 ist dabei so kurz gehalten, daß im ganzen Drehzahlbereich keine Maxima-Minima im Liefergrad durch die Massenträgheit der Luftsäule eintreten können. Die Luftmassen werden nur durch die Kolbenbewegung beeinflußt Jede störende Luftschwingung wird von den Luftmassen im Rohrteil 1 und Rohrteil 2 ferngehalten, denn es 1st klar, daB z.B. reflektierende Druckstöße die gewünschte Drehfetchwindigkeitsordmuig zerstören können. Um dies iu vermeiden wird EmUB ent angesteuert wenn der Druck im Zylinder gleich dem Druck im Emlai kt

Die Anpassung der Luftschichten an die gegebene Brennrautnform geschieht dadurch, daB die Luftmaste im Rohrteil 1 durch die Bemessung des Rohrteiles 2 so auf die Saugkraft des Kobens abgestimmt ist, daB durch die gegebene Massenträgheit eine Drehgeschwindifkeitssteigerung entsprechend der halbkugeligen, unteren Brennraumhälfte im ersten Teil des Saughubes erreicht wird. Inzwischen wurde der vorausgehende Zylinder geschlossen und die ständig fließende Luftmasse im Rohrteil 2 ist mit ihrer Bewegungswucht auf die zu beschleunigende Luftmasse im Rohrteil 1 umgeleitet worden. Diese wird dadurch stärker beschleunigt als es der Kolbenbewegung entspricht. Der Zylinder ist deshalb schon kurz vor innerem Totpunkt des Kolbens aufgefüllt und die Einströmung wird bei noch offenen Einlaßventil kurz nach innerem Totpunkt des Kolbens plötzlich abgestoppt Dadurch wird der natürliche Drehgeschwindigkeitsauslauf abgeschnitten, so wie auch der obere Kugelteil im Brennraum abgeschnitten ist.

Die gemäß der Erfindung gestellte Bedingung, daß bei Einlaßbeginn der Druck im Zylinder gleich dem Druck im Ansaugrohr ist kann auch dadurch erfüllt werden, daß bei Einlaß statt nach Ende des Auslaßhubes bereits bei Beginn des Auslaßhubes geöffnet wird. Auch dort gibt es einen starken Druckabbau im Zylinder dadurch, daß die Massenenergie des ausgestoßenen Gases den Druck im Zylinder von positiv nach negativ wechseln läßt

In Ausgestaltung der Möglichkeiten, die Drehgeschwindigkeitsanordnung zu beeinflussen, wird vorgeschlagen, auch diesen Zeitpunkt zur Aufsteuerung des Einlaßventils zu benutzen. Damit wird erreicht daß die erste, langsam drehende Luft vom Kolben, der abziehenden Auspuffsäule nachgeschickt wird, so daß eine Drehgeschwindigkeitsordnung für einen Brennraum nach F i g. 2 oder 3 entsteht
Die Weiterentwicklung der Drehgeschwindigkeits-Ordnung von F i g. 5 nach F i g. 1 geschieht dadurch, daß Auslaß- bis Einlaßende geöffnet bleibt oder wieder geöffnet wird, und die Energie der Ansaugluft größer als der Ablaßwiderstand gehalten wird.

Diese Lehre zum Handeln umfaßt daher auch die Möglichkeit die Anpassung der Drehgeschwindigkeitsordnung an den Brennraum dadurch zu erreichen, daß die nicht zum Durchmesserverlauf des Brennraumes passenden Luftschichten während des Spülvorganges abgeblasen werden können.

Was den Drehwinkel α und somit auch die Winkelgeschwindigkeit der einzelnen Luftschichten der Verbrennungsluft 9 anbelangt so ist diese so bemessen, daß sie im Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung so hoch ist daß die einzelnen Luftschichten sich beim Drehen um ihre Achse einmal am Kraftstoffstrahl vorbeilaufen. Der Kraftstoffstrahl ist dabei auf den Bereich der Schwcihreise der drehenden Luftschichten gerichtet und kann diese, je nach dessen Einstellung, tangieren oder er kann sich innerhalb dieser Schwerkreise befin-

so den. Unter Schwerkreis wird dabei der Abstand vom Kre'unüttelpunkt bis zum Umfang verstanden, der das Ö,7fache betragt Dabei steht die Fliehe der Kreisebene innerhalb des Schwerkreises mit der Fische der Kreisebene außerhalb desselben im Verhältnis 1:1.

SS In Fig.8 schließlich sind die Druckverläufe 10 in Zylinder wahrend des Auspuff- und Ansaugtaktes dar gestellt, wobei mit 11 und 12 die Möglichkeit der Auf Steuerungspunkte für EinlaB und mit 13 das Abstoppei des Einlasses bei noch geöffnetem Einlaßventil bedeu tea

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Luftverdichtende Hubkolben-Brennkraftma-•chine mit direkter Kraftstoffeinspritzung in einen drehsymmetrischen, zur Zylinderachse koaxialen Brennraum sowie mit drallbildendcm EinlaSorgan für die in den Brennraum einzubringende Verbrennungsluft, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehgeschwindigkeitsunterschied der einzelnen Luftschichten dem Durchmesserverlauf des Brennraumes angepaßt ist, daß die Einspritzung des Kraftstoffes in dem Bereich der Schwerkreise der einzelnen Luftschichten erfolgt, und daß in an sich bekannter Weise die Verbrennungsluft nur einmal in den Kraftstoffstrahl gedreht wird.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufbauen der erforderlichen Drehgeschwindigkeit der Luftschichten die nicht dem Durchmesserverlauf des Brennraumes angepaßten Luftschichten noch im Laufe des Spülvorganges aus dem Brennraum und/oder Zylinder in den Auspuff geblasen werden.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Kraftstoff innerhalb der 2s Schwerkreise der drehenden Luftschichten in den Brennraum eingespritzt wird.

4. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffiiung bis zum Ende der Einlaßzeit offen gehalten bleibt

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, mit einer den einzelnen Brennräumen vorgelagerten Ansauggruppe, bestehend aus einer gemeinsamen Ansaugleitung mit an dieser angeschlossenen Saugstutzen für sich im Ansaugtakt nicht überschneidende Zylinder, wobei im Bereich der Einlaßöffnung der Zylinder die Saugstutzen die drallbildenden Organe aufweisen, dadurch gekennzeichnet daß die Steuerzeit für das jeweilige Einlaßventil in der Einlaßöffnung und die Masse der in der Ansauggruppe vorgelagerten Ansaugluft so aufeinander abgestimmt sind, daß die Hauptmasse der Ansaugluft das drallbildende Organ bei voll geöffnetem Einlaßventil durchläuft

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß die Länge der Ansaugleitungen der Ansauggruppe dem Energiebedarf der Drallbildung und. wie an sich bekannt der Füllung des Brennraumes angepaßt ist

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