DE2038048C3

DE2038048C3 - Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2038048C3
Application number: DE2038048A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dipl.-Ing. 8501 Schwaig Loehr
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 1970-07-31
Filing date: 1970-07-31
Publication date: 1975-06-19
Also published as: HU164463B; ATA637371A; DE2038048A1; DE2038048B2; FR2103769A5; JPS5029085B1; US3814066A; AT339667B

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit einem kugelförmigen, im Kolben oder Zylinderkopf angeordneten, einen gegenüber seinem Durchmesser eingeschnürten Hals aufweisenden Brennraum, bei der der flüssige Kraftstoff mit nur einem Strahl zu seinem größten Teil filmartig auf die Brennraumwand aufgetragen wird, und bei der eine um die Brennraumlängsachse rotierende Luftbewegung vorgesehen ist

Eine solche Brennkraftmaschine, bei der allerdings auch mehrere Kraftstoffstrahlen vorgesehen werden können, ist bereits durch die deutsche Patentschrift 665 683 bekannt. Bei ihr wird der Kraftstoff irit möglichst kurzer freier Strahllänge auf die Brennraumwand aufgetragen, um eine unmittelbare Vermischung mit der Luft auf ein lediglich für die Zündung notwendiges Minimum zu begrenzen. Der Auftreffpunkt des Kraftstoffstrahles oder der Kraftstoffstrahlen liegt daher auf der oberen Hälfte der Brennraumwand, keinesfalls jedoch tiefer als knapp unter der Ebene des größten Brennraumdurchmessers.

Es hat sich schon bald gezeigt, daß bei derartigen Motoren bei Leerlauf und im unteren und mittleren Teillastgebiet eine die Umgebung belästigende, Augen und Atmungsorgane reizende Blaurauchbildung auftritt. Der Grund für diese Blaurauchbildung ist eine für eine gute Verbrennung zu niedrige Temperatur der Brennraumwand. Eine schlechte Verbrennung fördert die Bildung von Aldehyden, Acrolein, speziellen Kohlenwasserstoffen und anderem in den Abgasen.

Um diesem Übel abzuhelfen ist es durch die deutsche Auslegeschrift 1020 210 bereits bekannt, in den genannten Fahrbereichen den Luftdrall teilweise oder ganz zu zerstören bzw. aufzuheben oder die Richtung des Kraftstoffstrahles derart zu verändern, daß der Anteil des sich unmittelbar mit der Luft vermischenden Kraftstoffes erhöht wird. Ferner wurde bereits vorgeschlagen, das Verdichtungsverhältnis zu erhöhen oder die Kraftstoff-Einspritzzeit im unteren Drehzahlbereich zu verlängern, um eine ausgeprägte Kraftstoffstrahlbildung zu verhindern, so daß eine größers direkte Vermischung mit der Luft erfolgt.

Durch derartige Maßnahmen erreicht man zwar eine entsprechende Verminderung des Blaurauches bzw. der reizenden Stoffe in den Abgasen, doch sind sie insofern nicht zufriedenstellend, weil die hierfür zusätzlich erforderlichen Mittel eine Verteuerung und gleichzeitig eine erhöhte Störanfälligkeit bringen, vor allem aber auch, weil zum Teil eine Verschlechterung der motorischen Betriebsdaten in den oberen Fahrbereichen, insbesondere bei Vollast, nicht zu vermeiden ist

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Art einen neuen Weg zu finden, durch den in einfacher, umkomplizierter Weise ohne Verteuerung der Maschine und ohne Verschlechterung der Betriebsdaten im oberen Last- bzw. Drehzahlbereich eine maximale Vermeidung der Blaurauchbildung im unteren und mittleren Teillastgebiet zu erreichen ist.

Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Verhältnis des Brennr^umdurchmessers zum Durchmesser seines Halses kleiner oder höchstens gleich 1,15 ist, daß der Auftreffpunkt des Kraftstoffstrahles auf die Brennraumwand durch entsprechende Wahl des Düsenwinkels und der Düsenlage im unteren Viertel des Brennraumes liegt, und daß das Verhältnis Umfangsgeschwindigkeit der drehenden Luftladung zu ihrer Axialgeschwindigkeit kleiner oder höchstens gleich vier ist, wobei die Umfangsgeschwindigkeit auf den Meßdurchmesser (0,7 Zylinderdurchmesser) und maximalen Ventilhub bezogen und die Axialgeschwindigkeit der mittleren Kolbengeschwindigkeit gleichgesetzt ist.

Damit wird die gestellte Aufgabe ohne Verwendung von zusätzlichen, störanfälligen und teuren Steuermitteln vollends gelöst Bei Leerlauf und im unteren Drehzahlbereich bzw. Lastbereich entsteht durch die geänderte Brennraumgeometrie und die neue Strahllage sowie durch die Begrenzung der stationären Drehfrequenz infolge der Quetschströmung der Luft ein größerer unmittelbar mit der Luft vermischter Kraftstoffanteil, so daß nur am unteren Teil der noch relativ kühlen Brennraumwand eine geringe Filmausbreitung erfolgt. Bei steigenden Motordrehzahlen erhöht sich die Drehfrequenz der Luft und diese drückt, vor allem durch die kugelige Form des Brennraumes, auch den oberen Teil des Kraftstoffstrahles immer weiter an die sich immer mehr erwärmende Brennraumwand, so daß sich der Kraftstoff allmählich spiralförmig zu einem breitflächigen Film auf der Brennraumwand ausbreitet. Die unmittelbare Vermischung mit der Luft sinkt auf ein Minimum ab. Damit ist eine vollkommen selbständige Regelung der Kraftstoffilmauftragung in Abhängigkeit von der Drehzahl und Last und damit von der Temperatur der Brennraumwand geschaffen, welche ohne Verschlechterung der Betriebsdaten im mittleren und oberen Belastungsbereich des Motors auch die bei Leerlauf und im unteren Lastbereich auftretende Blaürauchbildung verhindert.

Während man bisher das Verhältnis des Brennraumdurchmessers zum Durchmesser seines Halses größer oder mindestens gleich 1,2 zur Erzeugung des erforderlichen Wirbels im Brennraum als unbedingt erforderlich ansah, hat man nunmehr gefunden und durch umfangreiche Versuchsreihen nachgewiesen, daß diese

Verhältniszahl durchaus nicht bindend ist, wenn man den Auftreffpunkt des Kraftstoffstrahles auf die Brennraumwand entsprechend mit verändert und zwar in das untere Viertel des Brennraumeä verlegt. Gleichzeitig wird der Luftdrall im Brennraum gegenüber den bisherigen Anordnungen zusätzlich verringert, wodurch sich eine Liefergraderhöhung und eine Verringerung der Gaswechselverluste ergibt, was ebenfalls zur Lösung der Ausgabe beiträgt. Bisher lag das Verhältnis von Umfangsgeschwindigkeit von Luft zu ihrer Axialgeschwindigkeit bei 4,5 ± 0,2. Mit anderen Worten bedeutet das, daß die Drehfrequenz der Luft im Brennraum gegenüber den bisher optimalen Werten — beispielsweise 165 bis 175Hz — um etwa 10% — beispielsweise auf 150 bis 155Hz — gesenkt wird. Die Werte sind auf eine mittlere Kolbengeschwindigkeit von 10 m/sec und maximalem Ventilhub bezogen.

Es sei in diesem Zusammenhang erwähnt, daß durch die DT-AS 1 211 436 bereits eine Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Art bekannt ist, bei der ein Verhältnis von Umfangsgeschwindigkeit der drehenden Luftladung zu ihrer Axialgeschwindigkeit zwischen 2,8 und 4 vorgeschlagen wird, jedoch bei 85% des maximalen Ventilhubes. Ferner bezieht sich die Messung der Umfangsgeschwindigkeit im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung auf den 0,7fachen Brennraumdurchmesser, wodurch sich vollkommen andere Werte ergeben. Selbst wenn man annehmen würde, daß unier dem Wort »Brennraumdurchmesser« der Zylinderdurchmesser gemeint sein könnte, was jedoch nach der Veröffentlichung eindeutig nicht der Fall ist, so wäre dabei zu berücksichtigen, daß bei dem bekannten Motor der Kraftstoff bei kurzer freier Strahlweglänge mit nur einem Strahl auf die Brennraumwand aufgetragen wird und daß zur Vergrößerung des Kraftstoffilms vom Kernstrahl außer einem zur Zündung erforderlichen luftverteilten Kraftstoffanteil weitere Kraftstofftröpfchen eben durch eine entsprechende Bemessung der Drehgeschwindigkeit der Luft an die Brennraumwand geschleudert werden.

Einzelheiten der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles hervor. Es zeigt
F i g. 1 einen Längsschnitt durch den oberen Teil eines in einem Zylinder angeordneten Kolbens mit eingezeichnetem Kraftstoffstrahl nach der Erfindung,

F i g. 2 eine Draufsicht auf den Kolben nach einem Schnitt I-I in Fig. 1,

F i g.3 einen Schnitt II-II durch die Anordnung nach Fig. 1.

In den F i g. 1 bis 3 weist ein nur zum Teil dargestellter Kolben 1 in seinem Kolbenboden 2 einen kugelförmigen Brennraum 3 mit einem Durchmesser D auf. Der Brennraum 3 ist durch einen auf einen Durchmesser d eingeschnürten Hals 4 mit dem Innenraum des Zylinders 5 verbunden. Eine Schnaupe 6 im Hals 4 dient zur Einspritzung des Kraftstoffes durch eine Einspritzdüse 7, die schräg im Zylinderkopf 8 angeordnet ist. Das Verhältnis des Brennraumdurchmessers D zum Durchmesser d des Halses 4 wird als Öffnungsverhältnis bezeichnet und ist kleiner oder höchstens gleich 1,15.

Die Äquatorebene des Brennraumes 3 ist durch eine strichpunktierte Linie 9 und die Hälfte des unteren Teiles des Brennraumes 3 durch eine gleiche Linie 10 gekennzeichnet. Ein Pfeil 11 zeigt die Richtung des Kraftstoffstrahles nach der Erfindung, der bei dem Punkt 12 auf die Brennraumwand 13 auftrifft. Dieser Auftreffpunkt 12 liegt deutlich im unteren Viertel des Brennraumes 3. Durch den strichpunktierten Pfeil 14 und den Punkt 15 ist die bisherige Kraftstoffstrahlrichtung und der bisherige Auftreffpunkt angedeutet. Die Änderung der Strahlrichtung ist durch Verkleinern des Düsenwinkels, der die maximale Abweichung der Strahlrichtung von der Düsenachse darstellt, und durch entsprechende Drehung der Einspritzdüse 7 zu erreichen. Der Düsenwinkel wird dabei je nach Lage des Düsenhalters im Zylinderkopf um etwa 5 bis 7° verkleinert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit einem kugelförmigen, im Kolben oder Zylinderkopf angeordneten, einen gegenüber seinem Durchmesser eingeschnürten Hals aufweisenden Brennraum, bei der der flüssige Kraftstoff mit nur einem Strahl zu seinem größten Teil filmartig auf die Brennraumwand aufgetragen wird, und bei der eine um die Brennraumlängsachse rotierende Luftbewegung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Brennraumdurchmessers (D) zum Durchmesser (d) seines Halses (4) kleiner oder höchstens gleich 1,15 ist, daß der Auftreffpunkt (12) des Kraftsioffstrahles (11) auf die Brennraumwand (13) durch entsprechende Wahl des Düsenwinkels und der Düsenlage im unteren Viertel des Brennraumes (3) liegt, und daß das Verhältnis Umfangsgeschwindigkeit (cu) der drehenden Luftladung zu ihrer Axialgeschwindigkeit (ca) kleiner oder höchstens gleich vier ist, wobei die Umfangsgeschwindigkeit (cu) auf den Meßdurchmesser (0,7 Zylinderdurchmesser) und maximalen Ventilhub bezogen und die Axialgeschwindigkeit (ca) der mittleren Kolbengeschwindigkeit gleichgesetzt ist.