DE2612378B2 - Kuehlmittel-einspritzvorrichtung fuer verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine von der Brennstoffzuführung unabhängige Einspritzvorrichtung für Kühlmittel in den Brennraum einer Kolbenbrennkraftmaschine, insbesondere eines Zweitakt-Dieselmotors.

Die Innenkühlung von Verbrennungsmotoren hat den Zweck, einerseits die umweltschädlichen Komponenten des Auspuffgases zu verringern, andererseits den Anteil der in mechanische Arbeit sich umwandelnden Wärme M zu erhöhen. Bei Dieselmotoren beispielsweise wird nur etwa ein Drittel der zugeführten Energie in mechanische Arbeit umgewandelt, ein Drittel wird durch die Kühlung abgeführt und der Rest verläßt mit den Auspuffgasen den Motor.

Obwohl die durch Kühlung abgeführte Wärme als Verlust zu betrachten ist, kann der Anteil der in mechanische Arbeit sich umwandelnden Energie ausschließlich durch die Verbesserung der Kühlung erhöht werden, da durch die Erhöhung der bei der Kühlung austretenden Wärme auch der Anteil der in eine mechanische Arbeit sich umwandelnden Energie — zulasten des mit den Auspuffgasen austretenden Wärmeanleiles — sich erhöht.

Übermäßige Kühlung ist jedoch auch nachteilig, da beim Kaltstart und bei niedriger Motordrehzahl die zum Verbrennen erforderliche Temperatur infolge der kalten Zylinderwände nicht gewährleistet ist.

Ein bedeutender Nachteil der bekannten Luft- und Wasserkühlsysteme besteht darin, daß die Flamme entlang der Zylinderwände erlöscht und infolge der unvollkommenen Verbrennung toxische Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidteile in den Auspuffgasen zurückbleiben.

Bei der Erhöhung des Anteiles der in mechanische Arbeit sich umwandelnden Energie und bei der Erzielung schadstoffarmer Auspuffgase ist der bei hohem Druck und hoher Temperatur arbeitenden Zweitakt-Freikolbenmotor als eine der ersten Entwicklungsphasen zu betrachten. Der Verbrennungsdruck genannter Motore kann infolge ihrer konstruktiven Gestaltung 500 Atm erreichen und sogar überschreiten; ein derartiger Motor ist beispielsweise in der US-PS 38 68 932 beschrieben. Infolge des hohen Verbrennungsdruckes erhöht sich der Anteil der in mechanische Arbeit sich umwandelnden Energie und zugleich erwärmt sich der Zylinderraum infolge des hohen Kompressionsdruckes derart, daß der eingespritzte Kraftstoff vollkommen verbrennt.

Die Temperatur des Zylinderraumes der Freikolben-Dieselmotore kann bereits beim Einspritzen des Kraftstoffes 1000⁰C erreichen, wobei die Temperatur infolge der bekannten Kühlungen geringer Intensität im Laufe der Verbrennung stark ansteigen kann. Durch die momentan hohe Temperatur tritt der Luftstickstoff in eine Reaktion ein, bei der toxische Stickstoffoxide entstehen.

Es ist zwar durch die US-PS 12 49 110 bekannt, durch Einspritzen von Wasser in den Brennraum die Nutzleistung zu erhöhen und zugleich die Brennraumtemperatur zu verringern. Die Einspritzung des Kühlwassers erfolgt dabei vorzugsweise durch eine mit der Brennstoffzufuhr gekoppelte Pumpe.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu entwickeln, mit der das Kühlmittel in der geeigneten Dosierung in Abhängigkeit vom Druck im Brennraum eingespritzt wird und die zugleich zur Verminderung der Schadstoffanteile im Auspuffgas geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine den Brennraum gegenüber dem Zylinderkopf abgrenzende, axial gegen Federkraft zum Zylinderkopf hin bewegliche Platte in den Zylinder eingepaßt ist, die zylindrische Bohrungen aufweist, in welche von der Richtung des Zylinderkopfes her passende Einspritzkolben hineinragen, die sich am Zylinderkopf abstützen und daß die zylindrischen Bohrungen durch Einspritzöffnungen kleineren Durchmessers mit dem Brennraum verbunden sind.

Man erhält dadurch eine Einspritzvorrichtung, die in Abhängigkeit von dem im Bremmraum herrschenden

Druck den zeitlichen und quantitativen Ablauf des Einspritzvorganges bestimmt. Denn durch die Druckwellen in der ersten Verbrennungsphase führt die Platte dne Bewegung aus, deren zeitlicher Ablauf nicht nur durch die bereits begonnene Verbrennung, sondern auch durch den Bewegungszustand des Kolbens begrenzt wird; denn die Länge des durch den Kolben abgegrenzten Zylinderraumes beeinflußt wesentlich die Bewegungsrichtung und die Beschleunigung der durch die Verbrennung hervorgerufenen Druckwellen. De: Bewegungszustand des Arbeitskolbens wird während der ersten Verbrennungsphase wie auch im Laufe der der Verbrennung folgenden Expansion primär durch die momentane Betriebsbelastung des Motors bestimmt, die Bewegung des Kühlorgans während der ersten Verbrennungsphase spiegelt daher die Ablaufcharakteristik der der Verbrennung folgenden Expansion wieder, die ihrerseits von der mechanischen Belastung abhängt. Gleichzeitig spiegelt der Ablauf der genannten Bewegung die aus der Wechselwirkung zwischen der mechanischen Belastung des Motors und eier ersten Verbrennungsphase resultierenden Verhältnisse integriert wieder.

Durch die Bewegung der Platte kommt eine selbststeuernde Kühlwassereinspritzung zustande, die durch Verdampfung und durch die Energie und Arbeit des entstandenen Dampfes und nachfolgende Kondensierung nicht nur die zur stickstoffoxidfreien Verbrennung erforderliche Kühlung sicherstellt, sondern auch einen bedeutenden Anteil der Kühlwärme in mechanisehe Arbeit umwandelt und die Ausscheidung der eventuell doch sich bildenden Rußkörner und toxischer Gase mit den im Auspuff sich niederschlagenden Wassertropfen zusammen gewährleistet. Im Vergleich mit den bekannten Lösungen kann die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung als eine Vorkammer mit beweglichen Wänden betrachtet werden, die nach erfolgter Explosion Kühlmittel in selbstgesteuerter Menge in den Zylinderraum einspritzt.

Bei den unter verhältnismäßig niedriger Temperatur und niedrigem Druck arbeitenden Zwangskolben-Verbrennungsmotoren kann als Kühlmittel auch Preßluft verwendet werden. Bei den mit hoher Temperatur und unter Hochdruck arbeitenden Freikolben-Verbrennungsmotoren ist jedoch ein Kühlmittel mit höherem Wärmeentzug, zweckmäßigerweise Wasserdampf erforderlich. Die Verdampfungsträgheit ist unproblematisch, da der im Zylinderraum herrschende Druck beim Einspritzen des Wassers nahe dem kritischen Druck liegt oder diesen überschreitet; im letztgenannten Fall verwandelt sich das Wasser explosionsartig in überhitzten Dampf und die Kühlwirkung wird allein durch den Dampf ausgeübt, da das einzuspritzende Wasser bereits in einem dem Dampfzustand entsprechenden Energiezustand vorliegt.

Zweckmäßigerweise sind zwischen der Platte und dem Zylinderkopf vorgespannte Federn angeordnet und die Platte stützt sich an der Zylinderbüchse des Brennraumes ab.

Die Kühlwasserzufuhr erfolgt zweckmäßigerweise t>o durch einen Kühlwasserverteilkanal, an den die Einspritzkolben über Bohrungen angeschlossen sind.

Weiterhin ist es günstig, zwischen den Einspritzkolben und dem Zylinderkopf elastische Elemente für die Rückfederung der Kolben anzuordnen. Hierdurch kann b"> eine bestimmte Dosierung der Einspritzmenge in Abhängigkeit von der Verlagerung der beweglichen Platte herbeigeführt werden, beispielsweise einen der kubischen Parabel entsprechenden Verlauf der Einspritzmenge in Abhängigkeit von der Bewegung. Zum selben Zweck können auch die in den zylindrischen Bohrungen der Platte vorzugsweise eingesetzten Strahlelemente zum Verschluß der Einspritzbohrungen verwendet werden.

Aus konstruktiven Gründen empfiehlt es sich, das elastische Element für die Rückfederung der Einspritzkolben aus einem kreisringförmigen, zylindrischen Körper herzustellen, der durch sechs radiale öffnungen durchbrochen ist, wobei diese radialen öffnungen alternierend von oben und unten durch eine Einfräsung unter 45° gebildet sind. Die Strahlelemente bestehen am besten aus zwei Halbzylindern und sind auf der einen Seite ebenflächig, auf der anderen Seite mit einer konischen Vertiefung ausgestaltet und an ihren Trennebenen aneinandergepreßt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung,

Fig. 2 eine vergrößerte Detaildarstellung des Einspritzkolbens,

F i g. 3 das für das verzögerte Öffnen und beschleunigte Schließen verantwortliche Einspritzelement und

Fig.4 das für das stufenweise öffnen dienende Strahlelement.

Auf dem Motorzylinder 1 ist mit Hilfe der Schrauben 7 der Zylinderkopf 4 festgeschraubt. Der Zylinder 1 enthält eine Laufbüchse 3, in der der Arbeitskolben 2 mit seinen Kolbenringen 6 gleitet. Die Kraftstoffdüse 10 ist im Zylinderkopf 4 eingeschraubt.

Die am Zylinderkopf 4 sich abstützenden Schraubenfedern 9 pressen die bewegliche Platte 8 der Einspritzvorrichtung an die Oberkante der Laufbüchse 3 stark an. In der Platte 8 sind mehrere (im Ausführungsbeispiel fünf) zylindrische Bohrungen 11 angeordnet, in welche passende Kolben 12, die am Zylinderkopf 4 befestigt sind, hineinragen. Wie F i g. 2 zeigt, sind die zylindrischen Bohrungen 11 über Einspritzbohrungen 21 mit dem Zylinderraum 5 verbunden. Am unteren Teil der zylindrischen Bohrungen 11 sitzt ein Verschlußelement, zweckmäßig ein aus zwei gleichen Hälften zusammengesetztes Strahlverschlußelement 19 und 20.

Im Zentrum der Kolben 12 verlaufen Bohrungen 15. Die oberen Enden dieser Bohrungen 15 sind an einen Kühlwasserverteilkanal 14 angeschlossen, während die unteren Enden der Bohrungen 15 durch ein aus Sperrfeder 18 und Kugel 13 bestehendes Rückschlagventil verschlossen sind.

Ein am Zylinderkopf 4 mit Schrauben 22 befestigter Abschlußring 17 dient einerseits zur Befestigung der Kolben 12, andererseits schließt er unter Zwischenschaltung der Verdichtungselemente 23 den Kühlmittel-Verteilkanal 14 ab. Das Anschlußstück 16 ist mit diesem Kanal 14 verbunden urd dient der Zuführung des Niederdruck-Kühlwassers.

Die Wirkungsweise des Kühlsystems ist wie folgt:

Der Kolben 2 fährt aufwärts und preßt die in dem Zylinderraum 5 vorhandene Luft zusammen, wonach die Kraftstoffdüse 10 bei der entsprechenden Lage des Kolbens 2 das Einspritzen durchführt. Die im Zylinderraum 5 entstehende Hochdruck-Flammensäule verschieb* die bewegliche Platte 8 gegenüber der Schraubenfeder 9 in Richtung auf den Zylinderkopf, wodurch die Kolben 12 in die zylindrischen Bohrungen 11 eindringen. Der in den zylindrischen Bohrungen 11 herrschende Wasserdruck faltet die Strahlverschlußele-

mente 19 und 20 auseinander und durch die Einspritzbohrungen 21 werden Dampfstrahien in den Zylinderraum 5 eingespritzt.

Durch die eingespritzten Dampfstrahlen kühlt sich der Zylinderraum ab, wobei die Verdampfung explosionsartig vor sich geht. Das derart aus Gas und Wasserdampf entstandene Hochdruckgemisch schiebt den Kolben 2 abwärts, während sich der im Zylinderraum herrschende Druck vermindert, so daß die Schraubenfedern 9 die bewegliche Platte wieder in die Ausgangslage zurückschieben. Dadurch wird der Raum der zylindrischen Bohrungen vergrößert und durch die Fortbewegung der Kugeln 13 gegenüber ihrer Sperrfeder 18 werden über die Bohrungen 15 die Bohrungen 11 mit Kühlwasser aufgefüllt. Der Rücklauf der beweglichen Platte 8 wird durch Anschlag am Zylinderkopf 4 begrenzt.

In Fig.2 ist das Kühlwassereinspritzorgan vergrößert dargestellt. Man sieht deutlich, daß zwischen dem Kolben 12 und dem Zylinderkopf 4 das elastische Element 24 sitzt. Während des Rücklaufes der beweglichen Platte 8 nach oben bestimmt gewissermaßen der in der zylindrischen Bohrung 11 herrschende Wasserdruck die Versetzung des Kolbens 12 gegenüber dem elastischen Element 24; gleichzeitig werden die Strahlverschlußelemente 19 und 20 geöffnet, wodurch über die Einspritzbohrung 21 ein Wasserstrahl in den Zylinderraum 5 eingespritzt wird.

Die Strahlverschlußelemente 19 und 20 und das elastische Element 24 verwirklichen mit einer guten Annäherung eine der kubischen Parabel entsprechende Einspritzmenge in Abhängigkeit von der Bewegung der Platte. Das Wassereinspritzorgan ist gegen stoßartige Druckwellen unempfindlich, zeigt aber eine gewisse Empfindlichkeit gegenüber den bedeutenden Versetzungen der beweglichen Platte 8 und reagiert durch die Einspeisung einer erhöhten Kühlwassermenge. Dadurch findet wiederum die Anpassung an die im Freikolben-Dieselmotor vor sich gehenden und mit der Druckerhöhung zusammenhängende Verbrennung statt.

Das in Fig. 2 im Querschnitt dargestellte elastische Element 24 ist zwecks Veranschaulichung der besonderen Gestaltung nochmals in der Draufsicht in Fig.3 dargestellt. Es ist aus einem elastischen, korrosionsbeständigen Stahlgrundstoff hergestellt und weist zylindrische Gestalt auf, derart, daß es in Mittelhöhe, in gleichmäßiger Verteilung durch sechs radiale zylindrische Bohrungen durchbrochen ist, wobei jede zweite radiale Bohrung von unten, die übrigen radialer Bohrungen von oben durch eine Einfräsung unter 45° hergestellt werden.

Diese Form kann verhältnismäßig leicht hergestellt werden, wobei man ein elastisches Element mit idealer Federcharakteristik erhält.

Ebenfalls können die Strahlverschlußelemente 19 und 20 die idealen Betriebsparameter aufweisen. Sie sind axonometrisch in Fig.4 dargestellt. Sie bestehen aus einem korrosionsbeständigen, elastischen Stahlgrundmaterial mit einem Halbzylindermantel und sind unten ebenflächig, oben mit einer konischen Vertiefung ausgebildet und in der Trennungsebene genau geschliffen.

Die Strahlverschlußelemente 19 und 20 pressen sich mit ihren Trennebenen aneinander an, da ihre äußerer zylindrischen Mantel eine gewisse Überdeckung gegenüber der zylindrischen Bohrung 11 aufweisen. Der vor unten her wirkende Druck drückt die Strahlverschluß elemente selbstsperrenderweise zusammen, währenc der von oben, in Richtung der konischen Vertiefung wirkende Druck nach Erreichen eines gewisser Druckwertes in dem Mittelteil eine schmale, längliche Spalte öffnet, über welche der Kühlwasserstrahl hinausspritzt. Die beiden Strahlverschlußelemente biegen gleicherweise gegeneinander aus, so daß zwischen ihnen weder beim öffnen noch beim Schließen metallische Reibung auftritt und ihre Standzeit verlängen wird. Die zwischen den Verschlußelementen entstehenden Spalte öffnen sich gradweise, wobei die Größe der Spalte dem Bewegungsausmaß proportional ist und diese Proportionalität den allmählichen Beginn des Einspritzens und die spezifische Drosselung konstanter Größe sicherstellt.

Die wesentlichen Vorteile der erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung bestehen darin, daß der Schadstoffanteil der Auspuffgase stark reduziert und der Gesamtwirkungsgrad des Motors erheblich erhöht werden kann.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß sich die Platte bei hohem Druck im Brennraum frei bewegen kann, wodurch die mechanische Inanspruchnahme des Zylinderkopfes bedeutend herabgesetzt wird. Die durch den Kühldampf erzeugte Energie ist über die Erhöhung der mechanischen Leistung auch in Hinsicht der erhöhten Betriebsstabilität des Motors vorteilhaft.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Von der Brennstoffzuführung unabhängige Einspritzvorrichtung für Kühlmittel in den Brennraum einer Kolbenbrennkraftmaschine, insbesondere eines Zweitakt-Dieselmotors, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Brennraum (5) gegenüber dem Zylinderkopf (4) abgrenzende, axial gegen Federkraft zum Zylinderkopf hin bewegliche Platte (8) in den Zylinder (1) eingepaßt ist, die zylindrische Bohrungen (11) aufweist, in welche von der Richtung des Zylinderkopfes (4) her passende Einspritzkolben (12) hineinragen, die sich am Zylinderkopf (4) abstützen und daß die zylindrischen Bohrungen (11) durch Einspritzöffnungen (21) kleineren Durchmessers mit dem Brennraum (5) verbunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Platte (8) und dem Zylinderkopf (4) vorgespannte Federn (9) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum (5) eine die axial verschiebbare Platte (8) abstützende Laufbüchse (3) aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzkolben (12) über Bohrungen (15) an einen Kühlwasserverteilkanal (14) angeschlossen sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Einspritzkolben (12) und dem Zylinderkopf (4) elastische Elemente (24) für die Rückfederung der Kolben (12) angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den zylindrischen Bohrungen (11) der Platte (8) die Einspritzbohrungen (2Ϊ) verschließende Strahlelemente (19,20) vorhanden sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element (24) aus einem kreisringförmigen, zylindrischen Körper besteht, der durch sechs radiale öffnungen durchbrochen ist, wobei die radialen öffnungen alternierend von oben und unten durch eine Einfräsung unter 45° gebildet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlelemente (19, 20) aus zwei Halbzylindern bestehen und in der einen Richtung ebenflächig, in der anderen Richtung mit einer konischen Vertiefung ausgestaltet sind und ihre Trennebenen aneinander gepreßt sind.