DE2525770A1 - Luftverdichtende, direkt einspritzende brennkraftmaschine - Google Patents

Luftverdichtende, direkt einspritzende brennkraftmaschine

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DE2525770A1 DE19752525770 DE2525770A DE2525770A1 DE 2525770 A1 DE2525770 A1 DE 2525770A1 DE 19752525770 DE19752525770 DE 19752525770 DE 2525770 A DE2525770 A DE 2525770A DE 2525770 A1 DE2525770 A1 DE 2525770A1
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Description

Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg
Aktiengesellschaft
Nürnberg, 2. Juni 1975
Luftverdichtende, direkt einspritzende Brennkra ftma s chine
Die Erfindung bezieht sich auf eine luftverdichtende, direkt einspritzende Brennkraftmaschine mit einem rotationskörperförmigen, im Kolbenboden angeordneten, am Ende des Verdichtungshubes nahezu die gesamte, durch geeignete Mittel in Rotation um seine Erzeugungsachse versetzte Verbrennungsluft aufnehmenden Brennraum, dessen größter Durchmesser zum Durchmesser seines Halses ein Verhältnis aufweist, das kleiner oder höchstens gleich l,2o ist, und mit einer außermittig, schräg zur Kolbenlängsachse angeordneten Einspritzdüse, bei der der flüssige Kraftstoff zu seinem größten Teil filmartig auf die Brennraumwand aufgetragen, dort verdampft, mit der Verbrennungsluft vermischt und verbrannt wird, wobei die Verbrennung entweder durch Selbstzündung oder durch eine fremde Zündquelle eingeleitet werden kann.
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Eine solche selbstziindende Brennkraftmaschine ist bereits durch die DT-AS 2 038 o48 bekannt. Bei ihr ist im Kolben oder Zylinderkopf ein kugelförmiger Brennraum mit einem eingeschnürten Hals vorgesehen und der Auftreffpunkt des Kraftstoffstrahles auf die Brennraumwand liegt im unteren Viertel des Brennraumes. Durch diese Anordnung, wird in einfacher Weise ohne Verschlechterung der Betriebsdaten des Motors bei Leerlauf, im unteren und mittleren Teillastgebiet eine Verminderung der die Umgebung belästigenden Bildung von Blaurauch und von Augen und Atmungsorgane reizenden Geruchsstoffen erreicht. Der Grund für die unangenehme Blaurauch- und Reizstoff bildung ist bekanntlich eine zu niedrige Temperatur der Brennraumwand und der Verbrennungsluft, durch die vor allem der wandangelagerte Kraftstoff nicht ausreichend schnell und vollkommen verdampfen und chemisch reagieren kann, so daß sich eine schlechte Verbrennung ergibt, welche die Emission von Produkten eines unvollständigen Reaktionsablaufes, z.B. von Aldehyden fördert. Durch die in vorbeschriebener Anordnung vorgesehene größere freie Strahllänge erfolgt nun zum einen eine Kraftstoff-Voroxydation, zum anderen vermischt sich ein größerer Anteil Kraftstoff unmittelbar mit der Verbrennungsluft, wodurch sich im unteren Lastbereich zwangsläufig eine bessere Gemischbildung und Verbrennung und damit auch eine Verminderung der Blaurauch- und Reizstoffemission ergibt. Um eine gute Verdampfung bzw. Ablösung des Kraftsotffes von der Brennraumwand und Vermischung mit der Verbrennungsluft zu erreichen, ist aber bekanntlich neben dem Brennraumtemperaturniveau auch die Luftbewegung und ihre Zuordnung zum Kraftstoff von ausschlaggebender Bedeutung. Außerdem ist es bekannt, daß bei einem kugelförmigen Brennraum in dessen unteren Teil die für die thermische Gemischbildung notwendige Luftdrehung an Intensität stark verliert. Eine etwaige Kraftstoffaufbereitung in diesem Bereich muß daher, insbesondere bei ungenügend erwärmter Brennraum-
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wand schlecht sein und die dort befindliche Luft kann für die Verbrennung nur sehr unvollkommen genutzt werden. Dies wirkt sich naturgemäß auf die Motordaten und besonders auf die Abgastrübung aus.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Art dahingehend zu vervollkommnen, daß eine bessere thermische Gemischbildung und damit ein geringerer Kraftstoffverbrauch sowie eine bessere Abgasqualität über den gesamten Betriebsbereich, bei selbstzündenden Motoren jedoch insbesondere im Leerlauf und im unteren und mittleren Lastbereich, erzielt wird.
Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der obere, vom Hals bis wenigstens zum größten Brennraumdurchmesser reichende Teil der Brennraumwand die Form einer Kugelzone und der untere, den Brennraumboden mitbildende Teil eine die Brennraumtiefe verkleinernde Abflachung bis konusförmige Erhebung aufweist, und daß bei selbstzündenden Motoren der geometrische Auftreffpunkt des Kraftstoffetrahles in der oberen Totpunktlage des Kolbens unterhalb des größten Brennraumdurchmessers und in Drehrichtung der Verbrennungsluft gesehen, in einem Winkel von cc- 60 bis 9© hinter der öffnung der Einspritzdüse liegt.
Durch die Abflachung des unteren Teiles der Brennraumwand bzw. des Brennraumbodens, die evtl. sogar mittig noch eine konusförmige Erhebung aufweisen kann, wird zunächst erreicht, daß alle im Brennraum befindliche Luft in einem Bereich verdrängt wird, in dem sie bei intensiver Rotation auch tatsächlich mit Kraftstoff angereichert und damit zur Gemischbildung beitragen kann. Außerdem kann durch diese Maßnahme das Verdichtungsverhältnis ohne nachteilige Polgen für die Vollastbetriebsdaten des Motors gesteigert werden. Die bekannten negativen Auswirkungen eines höheren Verdichtungs-
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grades in Bezug auf die Abgastrübung und teilweise auch auf den Kraftstoffverbrauch werden nämlich durch die beschriebene bessere Luftausnutzung 'entschieden!Überkompensiert. Zusätzlich wird beim selbstzündenden Motor durch das mit dem Verdichtungsverhältnis angehobene■Brennraumtemperaturniveau und durch die beschriebenej relativ genaue Festlegung des Kraftstoff-Auftreffpunktes auf der'Brennraumwand in Verbindung mit der Form derselben das Kaltstartvetfha!ten und die Abgasqualität im Leerlauf und· imurttoerenitTeillastbereich wesentlich verbessert. " ' '■'■ '■ --■<-< · ι ' ι ·
Schließlich ergibt sich durch die weniger tiefe Ausbildung des Brennraumes noch der konstruktive.Vorteil/ daß:die Kompressionshöhe am Kolben ohfie Beeinträdhtigungiöer,Brennraumbodenwandstärke verkleinert und damit bei·unverändertem Kurbelgehäuse und ?leuel der Hub vergrößert werden'kann..·
Als Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, in der Mitte des Brennr'aumbodens eine koriusförmige,-an ihrem oberen Ende mehr oder weniger stark abgerundete: Erhebung anzuordnen, wobei^der Krümmungsradius dieser Erhebung beim übergang vom unteren Teil der Brenfiraumwand zur■oberen Abründung hinzunehmend verkleinert und schließlich in lumgekehrter Richtung wieder vergrößert.
Im Zusammenhang mit der zuletzt beschriebenen· Brennraumform wird darauf hingewiesen, daß ein ähnli6hdr, omegaförmiger Brennraum bereits durch die DT-PS 1 I03 680 bekannt ist. Dieser Brennraum weist Jedoch ein vollkommen anderes Verhältnis von seinem größten Durchmesser zu seinem Hals auf und der obere Teil der Brennraumwand ist nicht kugelförmig. Auch ist er nur für Einspritzbrennkraftmaschinen mit sehr kleinem Hubvolumen gedacht. Der Kraftstoff wird dabei in Gegensatz zum eingangs beschriebenen Motor aus einer Drosselzapfendüse scharf
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OBlQiNAL INSPECTED
und gebündelt auf den Kolbenboden aufgespritzt, ein Teil wird dabei über die Brennkammeröffnung abgewiesen und ein weiterer Teil gelangt schließlich durch die Quetschwirkung der verdrängten Luft in den Brennraum, so daß sich drei zeitlich versetzte Brennzonen ergeben. Abgesehen davon, daß ein solches Verfahren mit dem hier zugrundegelegten Einspritz- und Gemischbildungsverfahren nicht zu vergleichen ist, wird nach der Vorveröffentlichung die Luftwirbelung lediglich durch den eingeschnürten Brennraumhals erzeugt, ein geordneter Luftdrall um die Kolbenachse ist nicht vorgesehen.
Weiter sind ähnliche Brennraumformen, wie sie hier als Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen werden, beispielsweise durch die CH-PS 175 ^33 bekannt geworden, doch auch hier handelt es sich um Motoren, die nach einem völlig anderen Verfahren arbeiten. Die letztgenannten Motoren haben eine mittig zum Brennraum angeordnete Einspritzdüse, der Kraftstoff wird unmittelbar mit der Verbrennungsluft vermischt und die Brennraumformen wurden lediglich deshalb gewählt, um der einströmenden Luft zusätzlich zu der um die Kolbenlängst.chse vorgesehenen Drehung eine kranzartige Bewegung zu überlagern, welche genau der Form der Brennraumwand angepaßt ist.
Bei den genannten Brennkraftmaschinen entstand also die ähnliche Form der Brennräume aus anderen Motiven heraus, die nichts mit der hier beschriebenen Erfindung zu tun haben.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben werden. Es zeigen:
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Pig. 1 einen Längsschnitt durch den oberen Teil eines in einem Zylinder angeordneten Kolbens mit einem Brennraum und Kraftstoffstrahl nach der Erfindung
Pig. 2 eine Draufsicht auf den Kolben nach einem Schnitt II-II in Pig. I,
Pig. 3 einen Längsschnitt durch einen Kolben mit zwei weiteren Brennraumausführungen nach der Erfindung.
In den Fig. 1 bis 3 weist ein nur zum Teil dargestellter Kolben 1 in seinem Kolbenboden 2 einen um die Kolbenlängsachse rotationskörperförmig ausgebildeten Brennraum 3 mit einem größten Durchmesser D auf, der durch einen auf einen Durchmesser d eingeschnürten Hals 4 mit dem Innenraum des Zylinders 5 in Verbindung steht. Das Verhältnis von D/d ist kleiner oder höchstens gleich l,2o. Da wenigstens der obere Teil 6a der Brennraumwand 6 die Form einer Kugel aufweist, ist somit auch der Abstand des größten senkrecht zur Kolbenlängsachse χ liegenden Durchmessers D, der durch eine strichpunktierte Linie y angedeutet ist, vom Hals 4 aus festgelegt.
Eine Schnaupe 7 im Hals 4 dient zur Einspritzung des Kraftstoffes durch eine Einspritzdüse 8, die schräg im Zylinderkopf 9 angeordnet ist. Wie aus den Pig. 1 und 2 zu ersehen ist, liegt der geometrische Auftreffpunkt Io des Kraftstoffstrahles 11 unterhalb der Ebene y und in Drehrichtung 12 der Verbrennungsluft gesehen in einem Winkel von «at = 6o bis 9o° hinter der Einspritzdüsenöffnung. Von dort aus breitet sich der Kraftstoff als dünner Film auf der Brennraumwand 6 aus.
Die Brennraumwand 6 gemäß Flg. 1 ist auch unterhalb der Ebene y zum Teil noch kugelförmig ausgebildet und weist - gemessen von der Ebene y- in einer Tiefe, die etwa 2/3 des halben BrennrauBidurchmessers D beträgt eine Abflachung 13 auf,
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wodurch die gesamte Verbrennungsluft unmittelbar in den Bereich der Kraftstoffauftragung verlagert wird.
In Pig. j5 ist die größte Brennraumtiefe etwa die gleiche wie in Fig. 1, mittig am Brennraumboden ist aber noch eine in den Brennraum 5 hineinragende, konusförmige Erhebung 14 vorgesehen, die entweder eine nur wenig abgerundete Spitze 15 oder, wie strichliert dargestellt, eine starke Abrundung 16 aufweisen kann. Die Erhebung 14 kann einerseits zur geordneten Verbrennung und besseren Abfuhr der sich in der Brennraumraitte sammelnden Abgase beitragen, andererseits kann durch Wahl ihrer Größe das Verdichtungsverhältnis noch etwas verändert werden.
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Claims (6)

  1. Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg
    Aktiengesellschaft
    Nürnberg, 2. Juni 1975
    Patentansprüche
    \vl.I Luftverdichtende, direkt einspritzende Brennkraftmaschine mit einem rotationskörperförmigen, im Kolbenboden angeordneten, am Ende des Verdichtungshubes nahezu die gesamte, durch geeignete Mittel in Rotation um seine Erzeugungsachse versetzte Verbrennungsluft aufnehmenden Brennraum, dessen größter Durchmesser zum Durchmesser seines Halses ein Verhältnis aufweist, das kleiner oder höchstens gleich l,2o ist, und mit einer außermittig, schräg zur Kolbenlängsachse angeordneten Einspritzdüse, bei der der flüssige Kraftstoff zu seinem größten Teil filmartig auf die Brennraumwand aufgetragen, dort verdampft mit der Verbrennungsluft vermischt und verbrämt wird, wobei die Verbrennung entweder durch Selbstzündung oder durch eine fremde Zündquelle eingeleitet werden kann, dadurch
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    gekennzeichnet, daß der obere, vom Hals (4) bis wenigstens zum größten Brennraumdurchmesser ( D, y ) reichende Teil der Brennraumwand (6a) die Form einer Kugelzone und der untere, den Brennraumboden mitbildende Teil eine die Brennraumtiefe verkleinernde Abflachung (13) bis konusförmige Erhebung (14) aufweist, und daß bei selbstzündenden Motoren der geometrische Auftreffpunkt (lo) des KraftstoffStrahles (11) in der oberen Totpunktlage des Kolbens unterhalb des größten Brennraumdurchmesser (D, y) und in Drehrichtung (12) der Verbrennungsluft gesehen, in einem Winkel von oC = 6o bis 9o° hinter der öffnung der Einspritzdüse (8) liegt.
  2. 2. Luftverdichtende, direkt einspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die größte Brennraumtiefe - von der Ebene (y) des größten Brennraumdurchmessers (D) aus gemessen - etwa 2/3 des halben Brennraumdurchmessers (D) beträgt.
  3. 3. Luftverdichtende, direkt einspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Brennraumboden bildende Abflachung (Ij5) als eine zur Ebene (y) des größten Brennraumdurchmessers (D) parallel verlaufende Ebene ausgebildet ist, die sich an ihrem Umfang dem Brennraumdurchmesser (D) bzw. der Kugelform der Brennraumwand (6) allmählich anpaßt.
  4. 4. Luftverdichtende, direkt einspritzende Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine konusförmige Erhebung (14) mittig am Brennraumboden angeordnet ist und eine nur wenig abgerundete Spitze (15) aufweist.
  5. 5. Luftverdichtende, direkt einspritzende Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
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    - ^r-J(O
    konusförmige Erhebung (14) mittig am Brennraumboden angeordnet ist und eine starke Abrundung (16) aufweist.
  6. 6. Luftverdichtende, direkt einspritzende Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1, 2, 4 und 5» dadurch gekennzeichnet, daß sich der Krümmungsradius der Erhebung (14) beim Übergang von der Brennraumwand (6) in Richtung zur Spitze (15) bzw. Abrundung (16) hin zunehmend verkleinert und schließlich in umgekehrter Richtung wieder vergrößert.
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