DE2001518A1

DE2001518A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2001518A1
Application number: DE19702001518
Authority: DE
Inventors: Guertler Rudolf W
Original assignee: International Harverster Corp
Current assignee: Navistar Inc
Priority date: 1969-01-17
Filing date: 1970-01-14
Publication date: 1970-08-06

Description

Brennkraftmaschine Die Erfindung bezieht sich auf Brennkraftmaschinen und befaßt sich in Sonderheit mit der Ausbildung der Verbrennungskammer in Verbindung mit der Regelung des Brenn= stoff-Luft-Gemisches und der Folge der Brennvorgänge.
Bei Verbrennungskraftmaschinen mit Zylinder-Einspritzung ist die Gemischbildung und die Regelung der Folge der Brennvorgänge eines der entscheidenden Probleme, ei her= kömmlichen Brennkraftmaschinen mit direkter Einspritzung wird Brennstoff in der Weise eingespritzt, daß fein ver= sprühte Tröpfchen überall im Raum der Verbrennungskammer gleichmäßig verteilt werden. Die Zündung setzt zu Beginn der Einspritzperiode ein, in der die eingespritzten Brennstofftröprchen.mit Luft vermischt und der hohen Temperatur und dem Druck in der-Umgebung der Verbrennungs: kammer lange ausgesetzt sind. Wenn auch der anfänglich eingespritzte Brennstoff sofort brennt, wird durch die fortdauernde Einspritzung noch mehr Brennstoff eingeführt, der vergast, mit Luft vermischt und an der bereit brennenden Flamme gezündet wird. Dieser Verbrennungsvorgång ver= läuft sehr schnell, und gegen Ende der Einspritzung wird sogar unmittelbar in oder dicht in der Nähe der Brennflamme eingespritzt. Dies ist besonders der Fall, wenn die Brenn= kraftmaschine zur volle Leistung fährt, in welchem Fall die Dauer der Einspritzung am längsten währt.
Auch die Tröpfchengröße ist gegen Ende der Einspritzung größer als zu Beginn, und werden diese den heißen Gasen oder der Flamme ausgesetzt, tritt unvollkommene Verbren= nung und Bildung von festen Kohlenstoffteilchen ein, von dem zwar der größte Teil unter der Voraussetzung, daß die Temperatur hoch genug und Sauerstoff in ausreichendem Maße anwesend ist, innerhalb der Brennkammer verbrennt, der aber, wie in der Umgebung der Brennkammer und der Zylinderflächen oder bei ungenügend vorhandenem Sauer= stoff als Feststoff erhalten bleibt und gegebenenfalls durch die Auspuffleitung abgeführt wird, was zu einer Leistungsminderung der Maschine führt.
Bei der aus der USA-Patentschrift 2 907 308 bekannten Brennkraftmaschine wird Brennstoff auf die heiße Wand der Verbrennungskammer aufgebracht und dort als Folge der hohen Wandtemperatur vergast und mit Luft gemischt.
Diese Gemischbildung wird durch die Größe gerichteter Luftwirbel unterstützt, welche den vergasten Teil des Brennstoffes fortführen und Frischluft in die Mischzone zuführen. Hat die Verbrennung erst einmal begonnen, er= folgt ein zusätzlicher thermischer Mischvorgang, der darin seinen Grund findet, daß die heißen Verbrennungs: gase sich zum Mittelpunkt der Kammer bewegen wollen und die Kaltluft infolge ihrer hohen Dichte das Bestreben hat, oberhalb der Kammerfläche umzulaufen. Dieses be= kannte Verbrennungssystem arbeitet sehr wirkungsvoll und führt in einem Teilbelastungsbereich (bis zu einer Belastung von 90 %) zu Q inger Rußbildung. Doch tritt bei voller Belastung und bei Uberbeanspruchung (oberhalb 90 % bis zu 110 % Belastung) die Neigung zur Rußbildung deiltlicH r in Erscheir~*^l; un nähert sich der bei den zuvor beschriebenen herkömmlichen Systemen eintretenden Rußbildung.
Es scheint also bei diesen bekannten Systemen das Pro= blem der Gemischbildung und der geregelten Verbrennungs: folge nur teilweise gelöst zu sein. Unter den Bedingungen, die sich bei einer teilweisen Belastung einstellen, er= reichen die Verbrennungstemperaturen nicht die Mischzone, weshalb sich auch kein Ruß bildet. Bei voller Belastung hingegen währt die Einspritzdauer und die Gemischbildung solange, daß die Verbrennungsgase und -temperaturen sich störend bemerkbar machen. Die heißen Flammen erreichen dann bereits die Mischzone, während flüssiger Brennstoff noch auf die Kammerwand aufgesprüht wird. Die Flamme ist zu heiß, um eine passende.Mischung stattfinden zu lassen, und eine auf Kracken zurückzuführende Rußbildung ist un= vermeidbar. Sauerstoffmangel zur richtigen Zeit und/oder in der Umgebung der Kammerwandungsoberfläche sind der Grund, warum diese festen Kohleteilchen nicht verbrennen und der Ruß nicht abgeführt wird.
Zahlreiche Versuche sind überdies an anderen Verbrennungs: systemen gemacht worden, um die Verbrennung zu regeln und dabei eine störende Beeinflußung zwischen den Verbrennungs: temperaturen und der Gemischbildung auszuschließen. Bei einer dieser bekannten Lösungen sind im Zylinderkopf Stufen vorgesehen und im Sprühberelch der Düse Platten angeordnet, um die Vergasungund die Vermischung mit Luft herbeizu: führen, bevor die Zündung dieses Gemisches mittels der Zündkerze erfolgt. Bei einer anderen bekannten Lösung ver= spritzt die Einspritzdüse mehrere Strahlen, von denen einer auf die heiße Wand und der andere zu den Elektroden der Zündkerze hin gerichtet ist und in einer anderen Lösung wird die hblenkwirkung einer Platte zum Vorerhitzen des Brennstoffes dazu benutzt, diesen nahe bei der Zündkerze zu haltens um eine vollständigere Verbrennung herbei zu: führen.
Bei einer weiteren bekannten Lösung wird Brennstoff in eine Vorkammer eingespritzt, die eine Ablenkplatte auf= weist, welche den Brennstoff davon abhält, auf kalte Flächen zu stoßen, während gleichzeitig Luft durch die Vorkammer geleitet wird, welche das dort gebildete Ge= misch in die Hauptverbrennungskammer trägt. Eine ähnliche Lösung verwendet das Prinzip der Vorkammer mit einer Ab= lenkplatte, die bis in die Hauptbrennkammer reicht. Hier= bei wird der in die Vorkammer eingespritzte Brennstoff vermischt und das sich bildende Gemisch durch die Ablenk= platte in der Hauptbrennkammer verteilt.
Keine dieser geschilderten Lösungen löst das grundsätz= liche Problem der geeigneten Gemischbildung und geregel= ten Verbrennungsfolge in einer Weise, die entweder bei rotoren mit Ligen- oder Verdichtungszündung verwendbar und/oder auf Ottomotoren übernehmbar ist. Somit ver= bleibt noch die Aufgabe, einen Schutz zuwfinden, um diese Zone, in der die Vermischung des Brennstoffes mit der Luft erfolgt, vor den heißen Verbrennungstemperaturen zu bewahren.
Als Lösung für diese Aufgabe wird mit der Erfindung vor= geschlagen, innerhalb der Verbrennungskammer Abschirm= mittel vorzusehen, welche die Kammer unterteilen in wenigstens eine mit Zuleitungen für Brennstoff und für Luft versehene Vergasungs- und Mischzone und in eine einzelne gesonderte Verbrennungszone. Anordnung und Aus= bildung dieser Abschirmmittel können verschiedenartig sein; nur müssen sie der Forderung entsprechen, die Mischzone von der uerbrennungszone abzuschirmen. Hierbei können diese Mittel zugleich dazu dienen, die von der Verbrennungszone ausgestrahlte Hitze in diese Zone zurück und weg von der Mischzone zu reflektieren.
Die Verbrennungskammer, die gemäß der Erfindung mittels eines Schutzschirmes den Raum der Kammer in eine Ver= brennungszone und eine Mischzone unterteilt, kann im Kolben, kann aber auch im Zylinderkopf oder Zylinder= block vorgesehen sein. Wegen des verhältnismäßig kleinen Volumens der Mischkammer wird insbesondere bei voller Belastung ein reiches Gemisch aus Brennstoff und Luft erzeugt. Doch wegen Fehlens extrem hoher Temperaturen vergast der Brennstoff nur und macht keine Krack-Reaktion durch, die zu starker Rußbildung Anlaß gibt. Nach der Vergasung und der Mischung tritt das reiche Gemisch bei voller Belastung in die Verbrennungszone, in der es sich weiter mit dort wirbelnder Luft vermischt. Die Gemisch= bildung vollzieht sich also unter Abschirmung gegenüber den Verbrennungstemperaturen. Luft wird laufend durch die Mischzone geleitet, und wenn das reiche Gemisch bei voller Belastung in die Hauptverbrennungskammer abgeführt ist, wird das Gemisch bis auf ein gut brennbares Ver= hältnis abgeschwächt bzw. verdünnt. Sollte etwas Kohlen= stoff in der Mischzone erzeugt worden sein, so wird dieser beim Kontakt mit dem Übermaß an Luft während der Verbrennung in der Hauptkammer ebenfalls mitverbrannt.
Bei Ottomotoren wird die Zündkerze vorzugsweise am Aus= laß der Mischzone zur Verbrennungszone angeordnet. Die in der Verbrennungszone herumwirbelnde Luft ist bestrebt, an der Wand der Verbrennungskammer zu bleiben, mit der Brennflamme im Mittelpunkt.
Der Schutzschirm dient auch dazu, die Temperatur sowohl in der Mischzone als auch in der Verbrennungszone zu regeln; dies geschieht dadurch, daß die Hitze aus der Verbrennungszone in das brennende Gasgemisch zurück: reflektiert wird. Doch der Schutzschirm ist so auge: ordnet daß er in Verbindung iit der herumwirbelnden Luft dazu beiträgt und ermöglicht, daß eine fortlaufende Folge von Vergasung, Mischung und Verbrennung stattfindet.
Der Schutzschirm ist insbesondere an seinem Einlauf und seinem Auslauf so ausgebildet, daß die Luft in die Misch= kammer gedrängt und der Auslaß des Verbrennungsgases zur Mitte der Hauptkammer hin erleichtert wird.
In bevorzugter Ausführung bestehen die Abschirmmittel aus einem in bezug auf die Verbrennungskammer auf Abstand fest angeordneten Schutzschirm, wobei die gegenüberliegende Kammerwandfläche und Schutzschirmfläche wenigstens eine der Vergasungs- und Mischzonen darstellt. Zweckmäßig weist die durch den Schutzschirm abgetrennte Vergasungs- und Mischzone einen einzigen Auslaß auf, durch den das Brenn= stoff-LuSt-Gemisch in die Verbrennungszone ausgestoßen wird, und es ist die Zündkerze mit ihren Elektroden im Bereich dieses Auslasses im wesentlichen noch innerhalb der Vergasungs- und Mischzone während der Einspritzperiode angeordnet.
Die im Kolben vorgesehene Verbrennungskammer hat zweck= mäßig die Form eines Umdrehungskörpers, die vorzugsweise in Draufsicht kreisrund ausgebildet ist und einen im wesentlichen flachen Boden hat,gegenüber dem der Schutz= schirm in bogenförmiger Ausbildung gleichhoch wie die Kammer absteht.
Nach eincr bevorzugten Ausführungsform ist die Einspritz= düse mit einem sich bogenförmig über ungefähr 1800 er: streckenden, gegen die WirDelrichtung gerichteten Schirm= teil versehen, der lang genug sein muß, vorzugsweise 6 mm bis 12 mm lang, um die Düsenspitze gegen Ende der Ein= spritzperiode tu schützen, in der die Düse besonders dazu neigt, gro@e Tröpfchen mit geringer Durchschlagsenergie abzugeben. Dieser Schirmteil kreuzt den Kolben in seiner oberen Totpunktslage und stellt so einen zusätzlichen Schutz für die Brennstoffeinspritzung dar.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger in der Zeichnung veranschaulichter Ausführungsbeispiele näher erläutert; in der Zeichnung ist: Fig. 1 ein vertikaler Schnitt durch einen Teil des Motorzylinders mit Einlaß- und AuslaßYentil, Einspritzdüse und Kolben; Fig. 2 eine Draufsicht auf die im Kolben gemäß Fig. 1 vorgesehene Verbrennungskammer; Fig. 3 ein horizontaler Schnitt durch die Verbrennungs: kammer gemäß Linie 3-3 in Fig. 1 mit einer schaubildlichen Wiedergabe des Weges des Brenn= stoffes von der Einspritzung über die Mischung bis zur Verbrennung; Fig. 4 ein vertikaler Schnitt mit schaubildlicher Wiedergabe des Brennstoffverlaufs; Fig. 5 eine Draufsicht auf einen Kolben einer anderen, die Erfindung verkörpernden Ausführung; Fig. 6 ein vertikaler Schnitt längs der Linie 6-6 in Fig. 5, in der gleichfalls schaubildlich der Verlauf des Brennstoffes von der Einspritzung bis zur Vergasung wiedergegeben ist; Fig. 7 -eine Draufsicht auf einen Kolben anderer Aus= führung, bei der der Brennstoff in einer gegen= über Fig. 5 und 6 unterschiedlichen Stelle ein= gespritzt wird; Fig. 8 ein vertikaler Schnitt längs der Linie 8-8 in Fig. 7; Fig. 9 ein vertikaler Schnitt durch eine Verbrennungs= kammer anderer Ausführung mit darin angeordnetem kugelförmig ausgebildetem Hitzeschirm; Fig. 10 ein vertikaler Schnitt ähnlich der Fig. 1 mit napfförmig ausgebildeter Verbrennungskammer; Fig. 11 eine Draufsicht auf den Kolben gemäß Fig. 10; Fig. 12 ein vertikaler Schnitt ähnlich der Fig. 10 mit unterschiedlich angeordneter, mit einem Hitze= schirm versehener Einspritzdüse; Fig. 13 ein in größerem Maßstab gehaltener Schnitt der Düsen- und Schirmanordnung gemäß Fig. 12; Fig. 14 eine Ansicht der Einspritzdüse mit Hitzeschirm gemäß Fig. 13 von unten; Fig. 15 ein vertikaler Schnitt durch eine andere, die Erfindung verkörpernde, mit Vorkammer versehene Ausführung; Fig. 16 ein horizontaler Schnitt längs der Linie 16-16 in Fig. 15.
In Fig. 1 ist mit 10 der Verdichtungsraum und mit 12 die gemäß der Erfindung ausgebildete, in einem Kolben 1t vor= gesehene Verbrennungskammer bezeichnet. Der Kolben ist in einem Motorzylinder 16 üblicher Ausführung hin- und her= laufend angeordnet. Der Verdichtungsraum 10 ist mit einem den Einlaß der Luft steuernden Einlaßventil 18 und einem den Auslaß der verbrannten Gase steuernden Auslaßventil 20 versehen. Eine nahe am Zylinderkopf angeordnete Brenn= stoff-Einspritzdüse 24 erstreckt sich vorzugsweise derart bis in den Verdichtungsraum 10, daß der Brennstoffstrahl zu dem im Verbrennungstakt vorgesehenen Zeitpunkt im wesentlichen nach unten längs der Wand 26 der Verbren= nungskammer gerichtet ist.
Wie Fig. 1 zeigt,- ist die Verbrennungskammer 12 zentrisch im Kolben 14 unterhalb der Einlaß- und Auslaßventile 18, 20 angeordnet. Sie hat eine im wesentlichen kugel- oder schalenförmige Ausbildung mit einer zum Verdichtungsraum 10 hin gerichteten Öffnung und ist mit einer gleichfalls nach diesen Raum hin offenen Tülle 28 versehen, die einen Teil der Wand 26 bildet. Diese Tülle wirkt beim Einführen des Brennstoffes mit der Einspritzdüse 24 zusammen.
Die Verbrennungskammer 12 ist unterteilt in eine Ver= gasungs- und Mischzone 30 und in eine Verbrennungszone 32. Diese Unterteilung wird bewirkt durch einen verhältnis: mäßig dünnen, metallenen, teilweise kugel- oder nieren= förmig ausgebildeten Schutzschirm 34, den im dargestellten Beispiel wenigstens annähernd den gleichen Krümmungshalb= messer wie die Wand 26 hat und der von dieser Wand durch geeignete Mittel, beispielsweise Stifte 36 auf Abstand gehalten ist.
Wie in Fig. r3 und 4 wiedergegeben, dringt der Brennstoff: strahl 40 nach Verlassen der Diese 24 in die Tülle 28 und wird von dieser längs der Wand 26 hinter den Schutzschirm 34 gerichtet, wo er vergast und sich mit wirbelnder Luft mischt, wobei Gasteilchen abgespalten und etwa im Bereich der mit 42 bezeichneten Zone und somit noch hinter dem Schutzschirm 34 und außerhalb der Verbrennungszone 32 mit Luft gemischt werden. Dieses Gemisch verläßt dann die Mischzone 30 und wird in die Verbrennungszone 32 hineingetragen. Die Verbrennung beginnt ungefähr bei der mit 44 bezeichneten Stelle, dicht am Ende 46 des Schutzschirmes 34. Die durch die Wirkung des Brennstoffes in heftige Wirbel versetzte Luft hat das Bestreben, auch weil sie eine größere Dichte hat als das nun brennende Gemisch, sich nach auswärts zur Wand der Verbrennungs= kammer 12 zu bewegen und hinter de-n Schutzschirm 34 ein= zudringen, wie dies die Pfeile 48 in Fig. 3 zeigen. in= gegen hat das leichtere Verbrennungsgemisch das Bestreben, wie durch die Pfeile 50 veranschaulicht, zum Mittelpunkt der Verbrennungskammer zu fließen und dort ein Flammenzentrum zu bilden, das im Kammermittelpunkt Gegenstand vollständiger Verbrennung ist, wie dies schematisch bei 52 angedeutet ist.
Wie schon erwähnt, besteht einer der mit der Erfindung erzielbaren Vorteile darin, die Verbrennungsfolge zu steuern, indem verhindert wird, daß die Verbrennungs= hitze auf den Brennstoff prallt, während dieser einge= spritzt, vergast und gemischt wird. Bei der beschriebenen Ausbildung der Verbrennungskammer kann, wie ersichtlich, Brennstoff während der Einspritzperiode fortlaufend in die Mischzone hinter den Schutzschirm 34 eingespritzt werden, ohne daß irgendeine Störung durch den Verbrennungs: vorgang stattfindet, so daß eine innige Mischung erst ungefähr in dem mit 42 bezeichneten Bereich vor Eintritt in die Verbrennungszone stattfindet, und eine Verbrennung erst dans erfolgt, wenn das Gemisch in die mit 44 und 52 bezeichneten @onen gelangt. Die fortdauernde Tätigkeit der Düse verurs@cht eine laufende Beimischung von Luft, da sich Bs Ge@isch in der Verbrennungskammer im Umlauf befindet doch rind die Gemischbildung und der Verbren= nungsvor@ zur abhängig von C'r Dauer der Einspritzung.
Somit besteht keine .fögl;¢hacit, reinen Brennstoff unmittelba@ in die Verbrennungsflamme einzuspritzen.
Ein zusätzlicher Vorteil dieser Ausführung besteht darin, daß die dem Mittelpunkt der Verbrennung bzw. der Flamme 52 zugewandte Innenfläche 54 des Schutzschirmes eine heiße Platte darstellt und die Hitzestrahlen in die Mitte der Flamme 52 zurückgeworfen werden, wie schematisch durch die Pfeile 56 veranschaulicht ist.
Auch die in den Fig. 5 - 9 wiedergegebenen Beispiele zeigen die Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung, und soweit Übereinstimmungen mit den zuvor besprochenen Beispielen bestehen, sind die gleichen Bezugszeichen verwendet, denen ein entsprechender zusätzlicher Index angefügt ist.
Auch in dem Beispiel der Fig. 5 und 6 ist der Kolben 14A mit einer Verbrennungskammer 12A versehen, die hier eine zylindrischere Gestaltung aufweist als jene nach den Fig. 4. Die Einspritzdüse 24A erstreckt sich bis in den Verdichtungsraum 10 und ist koaxial zum Kolben 14A angeordnet. Bei dieser Ausführung ist der Schutzschirm 34A Teil des Kolbens selbst, der zu diesem Zweck mit vier radial nach außen und nach unten verlaufenden Ausnehmungen 60, 62, 64 und 66 sowie mit einer mittleren Ausnehmung 68 in der Kolbenachse versehen ist. Die genannten radial ver= laufenden Ausnehmungen haben ihre engste Stelle oben am Kolbenkopf und werden nach ihrem Auslaß hin weiter. Die Einlässe der Ausnehmungen liegen im Bereich der zentral über der Kolbenmitte angeordneten Einspritzdüse 24A. Die nach unten räumlich sich erweiternden Ausnehmungen leiten den von der Düse ausgespritzten Brennstoff nach unten und zugleich nach außen bis in eine große Ausnehmung 70, die sich hinter dem Schutzschirm 34A befindet und in der sich der Brennstoff mit Luft vermischt, die in diese Ausnehmung durch am Umfang des Kolbens vorgesehene Schlitze 72, 74, 76 und 78 zuströmt.
Bei dieser Ausführung setzt sich die Mischzone 42A aus vier getrennten Zonen zusammen, die sich an den inneren Ausgängen der vier radialen Ausnehmungen befinden, wo der Brennstoff mit der durch die letztgenannten Schlitze einströmenden wirbelnden Luft in Berührung kommt, wie dies durch die Pfeile 48A angedeutet ist. Der Mischvor= gang setzt sich dann im weiteren Teil der Ausnehmung 70 fort, vornehmlich an den mit 42A bezeichneten Stellen.
Die Verbrennung beginnt etwa bei der mit 44A bezeichneten Stelle, und das Flammenzentrum befindet sich etwa bei der mit 52A bezeichneten Stelle. Sowohl die Brennstoffein: spritzung als auch die Vergasung und Mischung erfolgt bei dieser Ausführung also völlig ungestört vom Flammen= zentrum 52A, wobei die Wände des Schutzschirmes 34A in ähnlicher Weise wirksam sind, wie dies mittels des zuvor beschriebenen Hitzeschirmes 34 der Fall ist.
Die Abwandlung der in den Fig. 7 und 8 wiedergegebenen Ausführung besteht darin, daß die hier mit 24B bezeich= nete Einspritzdüse in einem in der Bewegungsrichtung des Kolbens verlaufenden Schlitz 80 ortsfest derart ange= ordnet ist, daß sie den Brennstoff unmittelbar in die Mischzone 30B einspritzen kann. Luft kann durch am Umfang des Kolbens vorgesehene Schlitze 72B, 74B, 76B und 78B eintreten und bis zu der hinter den Schutzachirmteil 34B vorgesehenen Ausnehmung 70B gelangen, wo sich die Misch-und Vergasungszone befindet, ähnlich wie bei der Aus= führung gemäß den Fig. 5 und 6. Durch radial nach außen zu verlaufende Kanäle 82, 84, 86 und 88 wird Luft auch zum Flammenzentrum 52B geleitet und dadurch der Flamme ständig Luft zugeführt, wodurch eine vollständige Ver= brennung gewährleistet ist. Diese letztgenannten, radial verlaufenden Kanäle stehen mit den Schlitzen 72B, 74B, 76B und 78B in Verbindung. Da die Kanäle 82 - 88 nicht die gleiche Wirkung haben wie die Ausnehmungen 60 - 66 in Fig. 5 und 6, sind sie mit unterschiedlichen Bezugs= zeichen versehen.
Fig. 9 zeigt eine andere Ausführung der Erfindung, bei der die den Brennstoff in die Mischzone aus sprühende Einspritzdüse 24C so angeordnet ist, daß sie sich zu Beginn der Einspritzung teilweise in den Kolben hinein= erstreckt. Der Schutzschirm 34C hat hier eine im wesent= lichen kugelförmige Gestalt, die etwa der Form der Ver= brennungskammer 12 entspricht und die Verbrennungszone 32 im wesentlichen umschließt; von der Wand 26C der Ver= brennungskammer ist der Schirm auf Abstand entfernt.
Dieser kugelförmig gestaltete Schutzschirm 34C kann ent= weder mit dem Kolben eine Einheit darstellen, wobei er dann über nicht veranschaulichte Stützglieder mit der Wand 260 verbunden ist, oder ein gesondertes Bauelement darstellen, das über Tragstifte, ähnlich den Stiften 36 in Fig. 2,. abgestützt ist. In der Seitenwand des Kolbens ist ein vertikaler Schlitz. 80C vorgesehen, der die hin-und hergehende. Bewegung des Kolbens zuläßt, ohne hierbei die ortsfest angeordnete Düse 240 zu behindern. Bei die= ser Bauart befindet sich die Mischzone an oder nahe am Fuß der Kammerwand, und das Gemisch tritt in die zentrale, innerhalb des Schutzschirmes gelegene Verbrennungszone 32 ein, um. sich mit Luft zu mischen, die längs des innerhalb der Kammerwand 26C gelegenen Abstandspaltes und durch in der mittleren Ebene der Kammer gelegenen Öffnungen, wie solche beispielsweise bei 90, 92 und 94 angegeben sind, eintritt. So ermöglicht diese Ausbildung des Schutzschirmes 340 eine Vermischung mit Luft an der Umfangsfläche der Kammerwand 26C zwischen dieser und dem Schirm, und sie ermöglicht dem Düsenstrahl 40C bis zum Fuß der Kammerwand.
zu streichen und sich dort mit zusätzlicher Luft zu mischen, die längs der Umfangsfläche der Kammerwand einströmt. Das.
sich bildende Gemisch kann dann durch die Öffnung 96 im Schutzschirm aufwärts abströmen, um dadurch, wie durch Pfeile veranschaulicht, in die Verbrennungszone 32 zu gelangen.
Die rfindungsgemäße grundsätzliche Lösung ist auch bei der Ausführung gemäß den Fig. 10, ii, 12 verwirklicht.
Wie in den Beispielen gemäß den Fig. 6 - 8 ist auch hier der Kolben 14D mit einer im wesentlichen zylindrischen oder napfförmigen Verbrennungskammer 12D versehen. Ober= halb des Kolbens befinden sich die Einlaß- und Auslaß= ventile 18D bzw. 20D und auch die Einspritzdüse 24D.
Der Schutzschirm 34D bildet bei dieser Ausführung einen Teil des Kolbens und ist, in Draufsicht gesehen, bogen= förmig ausgebildet. Er weist eine verhältnismäßig tiefe, sich etwa über einen Halbkreis erstreckende Ausnehmung 100 auf, um die Ableitung der Wärme von der Mischkammer oder -zone 30D zu erleichtern. Die Menge der abzuleitenden Wärme kann, falls erwünscht, noch weiter dadurch ver= größert werden, daß Schmieröl in die Ausnehmung 100 ausgesprüht wird. Durch Regelung der Menge und des Druckes des Ölsprühstrahls läßt sich die Temperatur der Wisch: zone genau einregeln.
Wie in Fig. 11 schematisch veranschaulicht, tritt der von der Düse 24D ausgestoßene Brennstoffstrahl 40D in das eine Ende der Mischzone 30D ein und wird abwärts und tangential gegen die Seitenwand 26D der Verbrennungskammer 12D ge= leitet. Bei dieser Ausführung ist die Mischzone 30D durch den Schutzschirm 34D und Teile des Bodens und der Seiten= wand der aTerbrennungskammer bestimmt. Der in die Mischzone 30D eintretende Brennstoff vergast und vermischt sich mit wirbelndei Luft. Er spaltet in Gasteilchen auf und ver= mischt s Sl mit Jer weiteren sich abwärts bewegenden Luft, docl; alle dies geschieht hinter dem Schutzschirm 34D.
Dieses Gemisch verläßt dann die Mischzone 30D und tritt in die Verbrennungszone 32D ein. Die Verbrennungsvorgänge, das Mischen von Brennstoff'und Luft, sowie Ort und Bildung des Brennmittelpunktes sind durchweg im wesentlichen iden= tisch mit dem in Verbindung mit Fig. 1 - 4 beschriebenen Vorgängen, wobei die mit einer kugelförmigen Verbrennungs: kammer gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erzielbaren Vorteile in gleicher Weise erreichbar sind mit einer zylin= drischen, napfförmigen Verbrennungskammer 12D. Der Erfin= dungsgedanke ist weder von der Gestaltung der Verbrennungs: kammer, noch von deren örtlicher Anordnung abhängig, und er ist ebenso anwendbar bei mit Vorkammern versehenen Motoren, wie bei Verbrennungskraftmaschinen mit direkter Einspritzung.
Wie schon bemerkt, ist der Erfindungsgedanke nicht be= schränkt auf Motoren mit Verdichtungszündung, sondern er ist mit gleichem Vorteil auch bei Ottomotoren anwendbar.
Bei dem zuletzt erläuterten Beispiel würde dann eine Zündkerze 101, wie in Fig. 11 gestrichelt angedeutet, so anzuordnen sein, daß aich ihre Elektroden 102 etwa am Ende und innerhalb der Mischzone 30D befinden, wenn sich der Kolben 14D ii oder nahe im oberen Totpunkt befindet.
Das aus Luft und Brennstoff bestehende Gemisch hat an diesem Punkt in der Mischzone, wie zuvor beschrieben, ein zündbares Verhältnis. Wie erkennbar, wird das Brennstoff-Luft-Gemisch und die Verbrennungsfolge in im wesentlichen gleicher Weise bei Ottomotoren hergestellt wie bei rotoren mit Verdicntungszündung.
Die in den Fig. 12, 13, 14 wiedergegebene Ausbildung der im Kolben 14E befindlichen Verbrennungskammer i2E ist im wesentlichen die gleiche wie jene der V'erbrennungskammer 12D mit dem Unterschied, daß anste-lle des dort eine Ein= heit mit dem Kolben darstellenden bogenförmigen Schutz= schirmes 34D ein aus hochhitzebeständigèm--Werkstoff gesondert gefertigter Schutzschirm 34E zur Verwendung kommt, der am Kolben 14E in geeigneter Weise, beispiels: weise durch Schweißen, Anbolzen, so in der Verbrennungs: zone 12 befestigt ist, wie es Fig. 12 zeigt.
Bei der hier gezeigten Ausführung ist zusätzlich zum Schutzschirm 34E auch noch die Einspritzdüse 24E mit einem Schutzschirm 109 versehen, der aus einem zylin= drischen Körper 104 besteht, durch den hindurch sich die Einspritzdüse erstreckt, die mit dem zylindrischen Körper 104 im Zylinderkopf angeordnet ist. Das obere Ende dieses Körpers 104 läuft in einen kreisringförmigen Flansch 105 aus, der durch geeignete Mittel fest mit der Einspritzdüse 24E verbunden ist; sein unteres Ende läuft, wie in Fig. 14 dargestellt, in einen halbkreisförmigen Teil 106 aus. Dieser Teil kann sich bis dicht an das eine Ende der Mischzone erstrecken, wenn sich der Kolben 14E im oder nahe im oberen Totpunkt befindet.
In seiner Längsrichtung erstreckt sich der Teil 106 etwa 6 mm bis 12 mm von der inneren Fläche des Zylinderkopfes.
In bezug auf die Richtung der Luftwirbel, wie diesen Fig. 13 und 14 durch Pfeile 107 angedeutet sind, ist der Schirmteil 106 so angeordnet, daß seine offene oder konkave Seite strömun-sabarts oder entgegen der Richtung der Luft= wirbel gerichtet ist. Bekanntlich neigen die konventionellen Einspritzdüsen aazu, gegen Ende der Pinspritzphase große Tröpfchen von im wesentlichen flüssigem Brennstoff mit geringer Spritzweite abzugeben. Durch die Anbringung des Schutzschirmes 103 und durch seine Lage gegenüber der Düseneinspritzung, der Richtung der Luftwirbel und der mischzone ist der Brennstroffstrahl, insbesondere gegen Ende der Einspritzperiode, gegenüber den hohen Temperaturen geschützt, die in der Verbrennungszone herrschen. So sind auch die verhältnismäßig großen Brenn= stofftröpfchen von geringem Druck wirksam abgeschirmt und durch den Düsenschirm 103 und den Schutzschirm 34E davor bewahrt, den heißen Gasen in der Verbrennungszone ausgesetzt zu sein. In jeder Hinsicht ist somit die Wirkung des Düsenschirmes 103 im wesentlichen die gleiche wie die der zuvor beschriebenen Schutzschirme, doch wird der vorteilhafte Abschirmeffekt auf die Betriebseigen= schaften der Motoren noch verstärkt, wenn der Düsenschirm 103 in Verbindung mit dem Schutzschirm 34E verwendet wird.
Wie schon bemerkt, ist die erfindungsgemäße Lösung in gleicher Weise auch bei Vorkammermaschinen anwendbar.
Eine Lösung hierfür ist in Fig. 15 wiedergegeben. Die durch eine Rotationsfläche begrenzte im Zylinderkopf angeordnete Vorkammer 108 steht mit dem Verdichtungsraum 10 über einen Kanal 109 in Verbindung. 14F ist der Kolben, und 24F ist die Einspritzdüse, deren Düsenkopf außen= seitig der vertikalen. Mittelebene und oberhalb der horizontalen Mittelebene der Kammer angeordnet ist, so daß der Brennstoffstrahl nach unten und tangential zur Kammerwand ausgesprüht wird, der dann den in Fig. 16 durch Pfeile 110 erkennbar gemachten Verlauf nimmt. Die Vorkammer 108 ist durch einen verhältnismäßig dünnen, bogenförmig ausgebildeten Schutzschirm 34F in eine Ver= gasungs- und Mischzone 30F und eine Verbrennungszone 32F unterteilt. Dieser Schutzschirm stellt eine Einheit mit der Decke der Kammer dar und ragt von dieser nach unten herab.
Der in die Mischzone 30F eintretende Brennstoff vergast und mischt sich mit der durch den Kanal 109 in die Misch= zone 30F eingeführten Luft. Das gebildete Gemisch tritt über die beiden Enden des bogenförmigen Schutzschirmes 34F aus der Mischzone in die Verbrennungszone 32F, wo die Verbrennung erfolgt. Durch den vorgesehenen Schutz= schirm 34F irt, wie auch in den zuvor beschriebenen Beispielen, der nachteilhafte Einfluß der Verbrennungs= hitze auf den Brennstoff, wenn dieser eingespritzt, ver= gast und mit Luft gemischt wird, zu einem wesentlichen Teil ausgeschaltet.
Alle diese Ausführungen, für die kennzeichnend ist, daß die Vergasung des Brennstoffes und seine Vermischung mit Luft zu einem brennbaren Gemisch in einer Zone statt= findet, die tatsächlich von der Zone getrennt ist, in der die eigentliche Verbrennung erfolgt und hohe Tempe= raturen entstehen, gewährleisten eine bessere Leistung durch vollständige Verbrennung und Verminderung der Ruß: bildung unter allen Bedingungen des Maschinenbetriebes.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h- e

1. Brennkraftmaschine mit in einem Zylinder hin- und erlaufenden Kolben und mit einer Verbrennungskammer, gekennzeichnet durch innerhalb der Verbrennungskammer vorgesehene Abschirmmittel, welche diese Kammer unter teilen in wenigstens eine mit Zuleitungen für Brenn= stoff und für Luft vorgesehene Vergasungs- und Misch= zone und-in eine einzelne gesonderte Verbrennungszone.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn= zeichnet, daß die Abschirmmittel aus einem in bezug auf die Verbrennungskammer auf Abstand fest angeord= neten Schutzschirm bestehen, wobei die gegenüberlie= gende Kammerfläche und Schutzschirmfläche wenigstens eine der Vergasungs- und Mischzonen darstellt.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Schutzschirme abgetrennte Vergasungs- und Mischzone einen einzigen Auslaß auf= weist, durch den das Brennswoff-Luft-Gemisch in die Verbrennungszone ausgestoßen vira, und daß die Zünd: kerze mit ihren Elektroden im Bereich dieses Auslasses im wesentlichen noch innerhalb der Vergasunr:s-- ufl @ischzone während der Einspritzperiode angeordnet ist.

4. brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekenn= zeichnet, daß die Verbrennungskammer im Zylinderkopf angeordnet ist.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,'aaß die im Kolben vorgesehene Verbrennungs= kammer die Form eines Umdrehungskörpers hat.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennt zeichnet, daß die in Draufsicht kreisrunde Verbrenr nungskammer einen im wesentlichen flachen Boden hat, gegenüber dem der Schutzschirm bogenförmiger Ausbil= dung gleichhoch wie die Kammer absteht.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekenn= zeichnet, daß der Schutzschirm an seiner normaler weise tiefsten Stelle eine gekrümmt verlaufende Aus= nehmung hat.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5 und 6 dadurch gekennzeichnet, daß die in Draufsicht kreisrunde Verbrennungskammer durch eine kreisförmige Boden: fläche im Kolben bestimmt ist, die eine gekrümmt verlaufende öffnung enthält, und daß der aus hitze: beständigem Werkstoff bestehende, mit der Bodenfläche fest verbundene Schutzschirm die in der Bodenfläche vorhandene Ausnehmung vollständig ausfüllt und durch diese gleichhoch wie die Verbrennungskammer hindurch ragt.

9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einlassen von Luft zur Ver: gasungs- und Mischzone ein einzelner Einlaß vorge= sehen ist, dem die Spitze der Einspritzdüse derart benachbart angeordnet ist, daß sie sich im wesent= lichen innerhalb dieser Zone im Bereich der eintre: tenden Luft befindet, und daß ein mit dieser Düse fest verbundener Schirmteil vorgesehen ist, der die Spitze der Düse auf einem Teil eines Kreises umschließt.

10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekenn= zeichnet, daß die Spitze der Einspritzdüse von der Fläche des Zylinderkopfes vorsteht und der Schirmteil eine halbkreisförmige Ausbildung hat und derart angeordnet ist, daß seine konvexe Seite dem vorgesehenen einzigen Lufteinlaß zugewandt ist.

11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirmteil gegenüber der Spitze der Einspritzdüse nach unten vorsteht.

12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Schutzschirmes mehrere Vergasungs- und Mischzonen gegenüber einer einzigen Verbrennungszone abgetrennt sind und jede dieser Vergasungs- und Mischzonen mit einem gesonderten Lufteinlaß und einem gesonderten Brennstoffeinlaß versehen ist.

13. Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungszone längs einer sich in Längsrichtung der Verbrennungskammer erstreckenden Achse gelegen ist und die Luft- und Brennstoffeinlässe auf Abstand von dieser Achse am Umfang angeordnet sind.

14. Brennkraftmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Trann- und Schutzschirm bis zur Kolbenoberfläche reicht und jeder der getrennten Lufteinlässe einen sich parallel zur Kolbenlängsachse erstreckenden, in der Kolbenoberfläche auslaufenden Kanal aufweist und jeder getrennte Brennstoffeinlaß einen Kanal darstellt, der von der Kolbenoberfläche bis zu einer der Vergasungs- und Mischzonen reicht.

15. Brennkraftmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Kolbenoberfläche auslaufende Kanal die Form eines sich benachbart zur Verbrennungskammerwand erstreckenden bogenförmigen Schlitzes hat und daß jede der in der Kolbenoberfläche vorgesehenen öffnungen der für den Brennstoff sorgenehenen, sich radial nach außen und unten zur entsprechenden Ver: gasungs- und Mischzone erstreckenden Kanäle sich auf radialem Abstand von den bogenförmigen Schlitzen befindet

16. Brennkraftmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekenn= zeichnet, daß die für die Brennstoffzuführung dienen: den radialen Kanäle einen sich von der Kolbenober: fläche nach unten zur entsprechenden Vergasungs- und Mischzone erweiternden Querschnitt haben,

17. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn= zeichnet daß durch den in der Verbrennungskammer vorgesehenen Schutzschirm teilweise eine einzelne Vergasungs- und Mischzone gebildet ist und zur Zu: leitung von Luft zu dieser Zone eine Mehrzahl von auf dem Umfang zur Längsachse der die Form eines Umdrehungskörpers aufweisenden Verbrennungskammer im Abstand voneinander angeordneter Einlässe vorgesehen sind, und daß die einzelne und abgetrennte Ver= brennungszone sich in Längsrichtung zur Achse der Verbrennungskammer erstreckt und für die Zuleitung von Brennstoff zur Vergasungs- und Mischzone ein einziger Einlaß vorgesehen ist, der sich auf dem Umfang dieser Zone befindet.

18. Brennkraftmaschine nach Anspruch 17, dadurch gekenn: XeiQhnetß daß Mittel zur Überbrückung der Vergasungs-und Mischzone und zur Leitung von Luft von jedem der Verbrennungseinlässe unmittelbar zur Verbrennungszone vorgesehen aihd.

19. Brennkraftmaschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die während der Einspritzperiode benach= bart zu dem vorgesehenen einzigen Brennstoffeinlaß vorgesehene - Einspritzdüse so angeordnet ist, daß sie den Brennstoff radial nach innen in Richtung auf die Längsachse der Verbrennungskammer einspritzt.