DE1576020C - Fremdgezündete, luftverdichtende Brennkraftmaschine mit direkter Einspritzung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine fremdgezündete, luftverdichtende Brennkraftmaschine mit direkter. Einspritzung des Kraftstoffes in einem oder mehreren Strahlen zu seinem Hauptteil als dünner Film auf die Wand des im Kolben vorgesehenen, rotationskörperförmigen Brennraumes, und bei der der einströmenden Luft eine solche Drehbewegung erteilt ist, daß hierdurch der Kraftstoff in Dampfform von der Brennraumwand allmählich abgelöst, mit der Luft vermischt und verbrannt wird, die Einspritzdüse im Zylinderkopf nahe des Brennraumrandes der Zündvorrichtung diametral gegenüber liegt und die Zündvorrichtung in oberer Totpunktstellung des Kolbens in den Brennraum eintaucht.

Line solche Brennkraftmaschine ist bereits durch die Patentschrift 39 916 des Amtes für Erfindungs- und Patentwesen in Ost-Berlin bekanntgeworden. Bei ihr taucht eine ummantelte Zündkerze jeweils in der oberen Kolbentotpunktstellung in eine zum Brennraum und zum Kolbenboden hin offene, in die Brennraumwand eingearbeitete Nische ein. Hier wird dann ein Kraftstoff-Luft-Gemisch entzündet, das vorwiegend erst durch Verdampfung von Kraftstoffteilchen gebildet wird, die mit Hilfe leitrinnenartiger Ausnehmungen in der Brennraumwand' an der Nische konzentriert werden. Eine solche Zündvorrichtung weist aber verschiedene Nachteile auf. ( .

So ergibt die Nische eine Zerklüftung des Brennraumes, wodurch die geordnete rotierende Luftströmung gestört wird. Außerdem kann der bei Vollast im Übermaß, d. h. über die für die Zündeinleitung . erforderliche Menge hinausgehende, in die Nische gelangende Kraftstoffanteil an dem Prozeß der thermischen Gemischbildung nicht mehr einwandfrei teilnehmen. Dadurch tritt eine Verschlechterung der Verbrennung und damit der Leistungsdaten ein. Das gilt besonders für kleine Zylindereinheiten, da hier die durch die Kerzengröße festliegende Nische in bezug auf die Brennraumabmessungen sehr groß wird. Auch gelingt es .trotz der in die Brennraumwand eingearbeiteten Leitkanäle nur schwer, im unteren Lastbereich an der in der Kerzenhülse genau festgelegten Stelle für die Funkenstrecke ein innerhalb der Zündgrenzen liegendes Gemisch zu erzielen. Dies trifft besonders zu, wenn die Zündvorrichtung, bedingt durch die Anordnung von Ein- und -Auslaßventil, der Einspritzdüse diametral gegenüber liegt, da die Kraftstoffeinbringung in den Funkenraum über den relativ langen Weg unter dem Einfluß der intensiven Luftströmung erschwert wird.

Zwar wird in der gleichen Patentschrift noch vorgeschlagen, die Zündkammer sacklochartig in den Kolbenboden einzuarbeiten und nur durch eine oder zwei Bohrungen mit dem Brennraum in Verbindung zu bringen. Damit kann zwar eine Störung des Luftwirbels vermindert und der in eine der Verbindungsbohrungen gespritzte Kraftstoff sicherer zur Funkenstrecke gefördert werden, jedoch kann auch hier der bei Vollast über die für die Zündeinleitung erforderliche Menge hinausgehende, in die Nische gelangende Kraftstoffanteil an dem Prozeß der thermischen Gemischbildung nicht mehr einwandfrei teilnehmen.

Des weiteren ist..zu berücksichtigen, daß die in einem Kraftstoff-Luft-Gemisch für die Ionisation der Funkenstrecke und damit für den Funkenüberschlag erforderliche Zündspannung sehr stark von" der Gemischzusammensetzung abhängig ist und mit zunehmender Gemischabmagerung wächst. Da es nicht gelingt, bei allen Lastzuständen' ein gleichbleibendes, den Funkenüberschlag begünstigendes Mischungsverhältnis direkt an der Funkenstrecke zu erzeugen, nehmen die Ionisationsspannungen mit abnehmender Einspritzmenge sehr hohe Werte an, wodurch entsprechend hohe Anforderungen an die Zündanlage gestellt werden. _'.--·■

Ferner ist durch die deutsche Patentschrift 1 023 632 noch eine luftverdichtende Brennkraftmaschine bekannt, bei der der Kraftstoff ebenfalls zu seinem Hauptteil als dünner Film auf die Wand des im Kolben vorgesehenen Brennraumes aufgetragen und durch die rotierende Luft in Dampfform allmählich abgelöst, mit der Luft vermischt und verbrannt wird, welche als Starthilfe bei besonders tiefen Außentemperaturen eine sich nach dem Anlassen selbsttätig abschaltende Zündvorrichtung aufweist. Diese Zündvorrichtung besteht aus einer im Zylinderkopf befestigten, bimetallisch ausgebildeten, im wesentlichen parallel zur Kolbenachse angeordneten

Stabelektrode und einer in der Brennraumwand befestigten nahezu senkrecht zur Stabelektrode liegenden Stiftelektrode, die nach Art einer Abreißeinrichtung miteinander in Kontakt kommen, wenn der Kolben seine obere Totpunktstellung erreicht, indem die Stabelektrode eine bestimmte Strecke in den Brennraum hineinragt. In Ausnahmefällen kann an Stelle der Stiftelektrode auch die Brennraumwand als Gegenpol verwendet werden, so daß die Stabelektrode dann an dieser entlang schleift. Unmittelbar nach dem Anlassen hebt sich die Stabelektrode vom Gegenpol ab und bleibt während dies Betriebes der Maschine unwirksam.

Eine solche Einrichtung ist für Dauerzündung allein wegen des hohen Verschleißes durch das Aneinanderschleifen der Pole unbrauchbar. Auch wäre die regelmäßige Zündung bei Dauerbetrieb wie bei der vorbeschriebenen Maschine nicht gesichert.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Zündung des Gemisches im gesamten Betriebsbereich, d. h. beim Anlassen und vom Leerlauf bis Vollast zu sichern.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß bei Verwendung einer Stabelektrode die Länge des parallel zur Brennraumwand eintauchenden Teiles der Elektrode mindestens ein Viertel der Brennraumtiefe beträgt und daß die Brennraumwand in an sich bekannter Weise den anderen Pol bildet.

Auf diese Art entfällt die sehr schwer realisierbare Forderung, bei allen Lastzuständen ein zündfähiges Gemisch an eine örtlich genau fixierte Funkenstrecke heranzubringen. Die Zündung wird dort eingeleitet, wo sich auch bei sehr kleinen Einspritzmengen mit Sicherheit ein zündfähiges Gemisch befindet. Oberhalb des Kraftstoffilmes ist das immer der Fall. _:

Wie bereits erwähnt, ist die Ionisationsspannung sehr abhängig von der Gemischzusammensetzung. Da dem Funken nunmehr die Möglichkeit geboten wird, von verschiedenen Stellen der Elektrode zur Brennraumwand überzuspringen, erfolgt dies vorzugsweise dort, wo durch das Vorhandensein einer zündfähigen Mischung die Ionisationsspannung den kleinsten Wert hat. Es wird hier also nicht das Gemisch zum Funken, sondern der Funke zum zündfähigen Gemisch gebracht, so daß es genügt, wenn an irgendeiner Stelle des möglichen Funkenüberschlags Teile des Kraftstoffilmes vorhanden sind. Ferner wird durch die Einleitung der Verbrennung an der Brennraumwand ohne Einschießen einer Zündflamme eine geordnete Verbrennung erreicht.

Der Zeitpunkt des Funkenüberschlages kann nach dem Eintreffen der ersten Filmteile an der Elektrode so gewählt werden, daß sich für den weiteren Verlauf der Verbrennung hinsichtlich Leistung, Laufruhe usw. optimale Verhältnisse ergeben. Das ist bei den Ausführungen, bei denen ein zündfähiges Gemisch an einen räumlich etwa festliegenden Punkt herangebracht werden muß, nicht möglich. Dort ist der Zündzeitpunkt erfahrungsgemäß an sehr engen Grenzen festgelegt, durch den Augenblick, in dem sich gerade eine innerhalb der Zündgrenzen liegende Mischung an den Elektroden befindet. Dies führt insbesondere bei Vielstoffmotoren bzw. bei Kraftstoffen, die während ihrer Verdampfung und des Gemischtransportes zur Funkenstrecke bereits selbstzündungsbereit sind, oft zu großen Schwierigkeiten.

Da der Zündfunke bei allen Lastzuständen an dei Oberfläche des Kraftstoffilmes eine den Ionisationsvorgang sehr begünstigende Gemischzusammensetzung vorfindet, bleiben die Zündspannungen praktisch unabhängig von der Last und wesentlich kleiner, was der gesamten Anlage zugute kommt. Die frei in den Brennraum ragende Elektrode wird durch die Strömung der Frischluft intensiv gekühlt. Dadurch wird die Möglichkeit von Glühzündungen ausgeschaltet. Auch eine Brückenbildung, wie sie

ίο zwischen zwei feststehenden Elektroden einer üblichen Zündkerze auftreten kann, ist praktisch unmöglich.

Den Vorteil, für die Zündeinleitung nicht an einen einzigen Raumpunkt des Brennraumes gebunden zu sein, weisen auch bekannte Zündvorrichtungen auf, bei denen an Stelle einer Zündkerze eine Glühkerze verwendet wird. Derartige Zündvorrichtungen haben aber unter anderem den Nachteil, daß die Gemischentzündung relativ hohe Temperaturen (mindestens 1000° C) des Glühkörpers erfordert, der elektrisch beheizt werden muß. Diese Temperaturen müssen bei allen Lastzuständen vorhanden sein, wodurch die Beanspruchung des Glühstiftmaterials groß ist und wodurch eine vom jeweiligen Motorbetriebspunkt abhängige und aufwendige Regelung der dem Glühstift zugeführten elektrischen Energie erforderlich wird. Außerdem ist der Energiebedarf erheblich größer als bei der Funkenzündung. Schließlich ist der Zündzeitpunkt aufs engste mit dem Einspritzzeitpunkt gekoppelt. Die vorstehend erwähnte und wesentliche Möglichkeit zu einer zeitlich optimal abgestimmten Zündeinleitung ist hier also nicht gegeben.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung werden etwa konstruktiv bedingte größere Schräglagen der Elektrode gegenüber der Brennraumwand dadurch ausgeglichen, daß der eintauchende Teil der Elektrode — im Längsschnitt gesehen — keilförmig ausgebildet ist und die Verdickung an dem dem Brennraumboden zugewandten Ende liegt. Der als Gegenpol wirkende Wandabschnitt des Brennraumes kann mit Rücksicht auf Abbranderscheinungen nach einem weiteren Merkmal der Erfindung einen gegen die Zündfunken widerstandsfähigen Belag aufweisen.

Es ist aber zu erwähnen, daß der Funken durch die sich mit den Betriebszuständen ändernden Stellen kleinster Ionisationsspannung an wechselnden Punkten überspringt und dadurch. der Abbrand nicht punktförmig lokalisiert wird und daher wesentlich langsamer fortschreitet. Außerdem wird, wie an sich bekannt, die Elektrode als Anode ausgebildet, weil der Abbrand vorzugsweise an der Anodenseite auftritt und diese leicht auswechselbar ist.

Um an der Elektrode mit Sicherheit ein ausreichend gut zündbares Gemisch zu erhalten, wird erfindungsgemäß noch vorgeschlagen, den nahe an der Elektrode verlaufenden Wandabschnitt des Brennraumes als Staukante auszubilden.
Wenn aus konstruktiven Gründen der Abstand der Elektrode zur Zylindermitte etwas größer sein muß als bei Anordnung eines mittigen Brennraumes, wird nach einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgeschlagen, den Brennraum außermittig anzuordnen; d. h. daß der Brennraum zur Verbindungslinie zwisehen Einspritzdüse und Elektrode in an sich bekannter Weise eine parallele Verschiebung aufweist. Dadurch können eventuell erforderliche Korrekturen der elektrodennahen Wandkontur vermieden werden.

Des weiteren wird vorgeschlagen, daß der Brennraum senkrecht zu einer Verbindungslinie zwischen Einspritzdüse und Elektrode eine parallele Verschiebung aufweist. Diese Anordnung hat insbesondere bei Vielstoffmotoren den Vorteil, den Strahlauftreffpunkt näher an die Elektrodenzone heranzubringen, ohne gleichzeitig durch einen mehr von der Wand weggerichteten Strahl den Anteil des luftverteilten Kraftstoffes in unerwünschter Weise zu vergrößern. Unter Umständen kann es aber auch angebracht sein, die beiden Maßnahmen der Verschiebung gleichzeitig anzuwenden.

Die vorstehenden Ausführungen beziehen sich auf eine einzige Stabelektrode. Wie gesagt, wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß ein unmittelbar an der Oberfläche des Kraftstoffilmes überschlagender Funke die beste Voraussetzung für eine sichere Zündung im gesamten Lastbereich des Motors ergibt.

Die Erfindung ist in der Zeichnung an Hand einiger Ausführungsbeispiele für eine Brennkraftmaschine mit einem im Kolben angeordneten Brennraum schematisch dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 reinen Längsschnitt durch ein Kolbenoberteil mit einem mittig angeordneten, rotationskörperf örmigen Brennraum,

F i g. 2 eine Draufsicht auf den Kolben nach Fig.l,

F i g. 3 und 4 je eine Draufsicht auf den Kolben mit jeweils einem außermittigen Brennraum und

F i g. 5 einen Längsschnitt durch ein Kolbenoberteil mit einer schräg angeordneten Elektrode.

In der Darstellung nach F i g. 1 ist der Kolben mit 1 bezeichnet, der einen mittig angeordneten, rotationskörperförmigen Brennraum 2 mit Brennraumöffnung 3 aufweist. In der Brennraumöffnung 3 ist eine Schnaupe 4 vorgesehen, in welche die schräg außerhalb der Brennraummitte im Zylinderkopf befestigte Einspritzdüse 5 im Bereich der oberen Totpunktstellung des Kolbens 1 etwas eintaucht. Die in dem nicht dargestellten Zylinderkopf eingeschraubte Induktions-Zündvorrichtung 6 mit ihrer Elektrode 7 liegt diametral gegenüber der Einspritzdüse 5. Die Elektrode ist als Stabelektrode ausgebildet und hat kreisrunden Querschnitt (F i g. 2).

Der mit einem oder mehreren Strahlen8 (Fig.2) eingespritzte Kraftstoff gelangt zu seinem größten Teil auf die Brennraumwand, woselbst er sich von seiner Auftreffstelle an unter dem Einfluß seiner kinetischen Energie und der Wirkung der sich hier um die Brennraumlängsachse drehenden intensiven Luftströmung (F i g. 2, Strömungspfeil 9) auf der Brennraumwand filmartig ausbreitet und dabei an die der Elektrode 7 gegenüberliegenden Wandpartien gelangt, woselbst er an seiner Oberfläche durch den Funken entzündet wird. An der Brennraumwand ist eine kleine Staukante 10 vorgesehen, die durch eine leichte Kraftstoffanreicherung der elektrodennahen

ίο Wandzone noch eine zusätzliche Gewähr für eine sichere Zündeinleitung gibt.

In F i g. 2 ist der durch den Winkel 11 gekennzeichnete Abstand der Elektrode 7 von der Einspritzdüse 5 mit 180° angegeben. Dieser oder auch ein etwas kleinerer Winkelabstand ist konstruktiv vorgegeben, wenn, wie in der Figur angedeutet, je ein Einlaßventil 12 und ein Auslaßventil 13 vorgesehen sind. ·

Die Draufsicht auf den Kolbenboden nach F i g. 3

ao zeigt, daß der Brennraum längs der Verbindungslinie zwischen Einspritzdüse und Elektrode um ein Maß a in Richtung zur Elektrode hin etwas versetzt ist, wenn aus konstruktiven Gründen der Abstand der Elektrode zur Zylindermitte unter Umständen etwas größer sein muß als bei einem mittigen Brennraum, (F i g. 1). Dadurch können anderenfalls erforderliche Korrekturen der elektrodennahen Wandkontur vermieden werden.

F i g. 4 zeigt wiederum eine Draufsicht auf den Kolben. Hier weist der Brennraum senkrecht zu einer Verbindungslinie zwischen Einspritzdüse 5 und Elektrode 7 eine parallele Verschiebung b auf. Diese Anordnung ist insbesondere bei Vielstoffmotoren von Vorteil. Man kann hier den Strahlauftreffpunkt näher an die Elektrodenzone heranbringen, ohne aber gleichzeitig durch einen mehr von der Brennraumwand weggerichteten Strahl den Anteil des luftverteilten Kraftstoffes in unerwünschter Weise zu vergrößern. Gegebenenfalls können die beiden Verschiebungena und b auch gleichzeitig angewendet werden.

Die Elektrode 7 sollte in einer zur Zylinderlängsachse bzw. zur Brennraumwand parallelen Lage eingebracht werden. Größere etwa konstruktiv bedingte Schräglagen der Elektrode 7 um einen Winkel 14 .(Fig. 5) werden gegebenenfalls durch eine schwach keilförmig ausgebildete Elektrode ausgeglichen, wie dies in F i g. 5 dargestellt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

f Patentansprüche:

1.. Fremdgezündete, luftverdichtende Brennkraftmaschine mit direkter Einspritzung des Kraftstoffs in einem oder mehreren Strahlen zu seinem Hauptteil als dünner Film auf die Wand des im Kolben vorgesehenen, rotationskörperförmigen Brennraumes, und bei der dei einströmenden 'Luft eine solche Drehbewegung erteilt ist, daß hierdurch der Kraftstoff in Dampf form von der Brennraumwand allmählich abgelöst, mit der Luft vermischt und verbrannt wird, die Einspritzdüse im Zylinderkopf nahe des Brennraümrandes der Zündvorrichtung diametral gegenüber liegt, und die Zündvorrichtung in oberer Totpunktstellung des Kolbens in den Brennraum eintaucht, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer Stabelektrode (7) die Länge des parallel zur Brennraumwarid eintauchenden Teiles der Elektrode (7) mindestens ein Viertel der Brennraumtiefe beträgt und daß die Brennraumwand in an sich bekannter Weise den anderen Pol bildet.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eintauchende Teil der Elektrode (7) — im Längsschnitt gesehen ■— keilförmig ausgebildet ist und die Verdickung an dem dem Brennraumboden zugewandten Ende liegt.

3. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der als Gegenpol wirkende Wandabschnitt des Brennraumes (2) einen gegen die Zündfunken widerstandsfähigen Belag aufweist.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der nahe der Elektrode (7) verlaufende Wandabschnitt des Brennraumes (2) als Staukante (10) ausgebildet ist. ,

.5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum (2) zur Verbindungslinie zwischen Einspritzdüse (5) und Elektrode (7) in an sich bekannter Weise parallel (α) und/oder (b) verschoben ist.