DE2842457A1

DE2842457A1 - Luftverdichtende, direkt einspritzende brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2842457A1
Application number: DE19782842457
Authority: DE
Inventors: Nunzio D Dr Alfonso; Alfred Ing Grad Neitz; Hans Pickel
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 1978-09-29
Filing date: 1978-09-29
Publication date: 1980-04-17
Also published as: CH640307A5; SU936823A3; IT1123741B; ATA611279A; HU178291B; DE2842457C2; AT380071B; SE437400B; US4286556A; IN151513B; IT7926028A0; SE7908089L; DD146199A1; FR2437508B1; JPS5549523A; GB2033006A; FR2437508A1; GB2033006B

Description

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Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg Aktiengesellschaft

Nürnberg, den 26. September 1978

Luftverdichtende, direkt einspritzende Brennkraftmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine luftverdichtende, direkt einspritzende Brennkraftmaschine mit Selbstoder Fremdzündung, welche im Kolbenboden einen mit einem eingeschnürten Hals versehenen, rotationskörperförmigen Brennraum aufweist und bei der der einströmenden Verbrennungsluft eine Drehbewegung um die Brennraumlängsachse erteilt und der Kraftstoff durch einen Verbindungskanal oder eine Schnaupe im oberen Drehzahl- und/oder Lastbereich weitgehend filmartig auf die Brennraumwand aufgetragen wird, während im Leerlauf sowie im unteren Drehzahl- und/oder Lastbereich des Motors eine möglichst weitgehende unmittelbare Kraftstoff -Luftvermischung erfolgt, wobei der Kraftstoffeinspritzdruck an der Einspritzdüsenbohrung über den gesamten Betriebsbereich des Motors konstant oder nahezu konstant gehalten wird.

Eine derartige Brennkraftmaschine ist bereits durch die Patentanmeldung P 27 o9 161.8 bekannt, die allerdings nicht unbedingt einen rotationskörperförmigen Brennraum mit einem eingeschnürten Hals vorschreibt, sondern

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lediglich einen rotationskörperörmigen Brennraum. Durch die bekannte Brennkraftmaschine soll die Gemischaufbereitung und damit die Verbrennung bei Leerlauf sowie im unteren Drehzahl- und Lastbereich verbessert werden, indem der in diesen Bereichen eingespritzte Kraftstoff weitgehend unmittelbar mit der Verbrennungsluft vermischt wird, da die für eine ausreichend schnelle Verdampfung des filmartig aufgebrachten Kraftstoffes erforderliche Temperatur der Brennraumwand nicht vorhanden ist, was sich in den Motorkenndaten und in einer schlechteren Abgasqualität auswirkt.

Um diesen bekannten Nachteil zu vermeiden, wurden vorher schon viele Vorschläge gemacht, doch brachten diese immer wieder andere Nachteile mit sich. Entweder die Einrichtung war zu teuer oder zu kompliziert oder es wurden die dem Verfahren der Kraftstoff-Wandauftragung im oberen Betriebsbereich des Motors anhaftenden Vorteile zum Teil aufgehoben oder anderes.

Die vorbeschriebene Brennkraftmaschine brachte mit einfachen Mitteln eine echte Verbesserung, doch zeigte sich, daß die Zerstäubungsfeinheit des Kraftstoffes in den unteren Betriebsbereichen des Motors noch nicht als optimal angesehen werden kann. In den oberen Betriebsbereichen wurden beste Ergebnisse erzielt.

So wurde bereits vorgeschlagen, u.a. die Geschwindigkeit der sich drehenden Verbrennungsluft und die Austrittsgeschwindigkeit des Kraftstoffstrahles derart aufeinander abzustimmen, daß sie bei Nenndrehzahl des Motors gleich oder nahezu gleich sind, während mit abnehmender Motordrehzahl unter Bildung einer Relativ-

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geschwindigkeit die Geschwindigkeit der Verbrennungsluft wesentlich verringert wird. Durch diese Maßnahme tritt in den oberen Betriebsbereichen des Motors zwischen dem Kraftstoffstrahl und der Verbrennungsluft keine oder nahezu keine die Strahlauflösung begünstigende Reibung auf, er bleibt daher als geschlossener Strahl erhalten. Im unteren Betriebsbereich des Motors hingegen entsteht durch die Relativgeschwindigkeit eine erhebliche Reibung, durch die der Kraftstoffstrahl fein zerstäubt wird. Weiter verbessert kann diese Zerstäubung schließlich werden, wenn eine Zapfendüse mit vergrößerter Einspritzdüsen-Öffnung Verwendung findet, weil dadurch eine größere Berührungsfläche zwischen Kraftstoff und Verbrennungsluft geschaffen wird.

Der Vorschlag erwies sich als wirkungsvoll und es wurde eine beachtliche Verbesserung der Gemischbildung und damit der Verbrennung erzielt.

Verwendet man nun unter Beachtung aller vorstehend angeführten Optimierungsmaßnahmen einen rotationskörperförmigen Brennraum mit einem eingeschnürten Hals, so ist es allein wegen der erforderlichen Kraftstoffstrahllage, vielfach aber auch wegen konstruktiven Schwierigkeiten notwendig, für die Kraftstoffeinspritzung einen Verbindungskanal zum Brennraum oder eine Schnaupe in dessen Hals vorzusehen. Dabei stellte sich heraus, daß sich die Motorkenndaten bzw. die Gemischbildung und Verbrennung praktisch über den gesamten Betriebsbereich wieder verschlechtern. Der Grund hierfür liegt im unteren Drehzahl- und Lastbereich darin, weil der Strahlabspritzpunkt bzw. die Kraftstoff-

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Einspritzdüsenöffnung einfach zu weit vom eigentlichen Brennraum entfernt liegt. Beim Durchtritt des Kraftstoffes durch den Verbindungskanal oder die Schnaupe kühlen zum Teil größere Mengen des bereits dort vorhandenen Gemisches stark ab oder es erfolgt sogar eine Entmischung, welche ein tpilweises Niederschlagen des fein verteilten Kraftstoffes an den Kanalflächen bewirkt. Die Folge davon sind insbesondere mit unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Geruchsträgern angereicherte schlechte Abgase. Den Verbindungskanal oder die Schnaupe in ihrem Querschnitt einfach größer auszulegen, wäre leeine Lösung, da dies eine Verkleinerung des eigentlichen Brennraumes und eine Verschlechterung des Luftdralls und somit auch der Verbrennung zur Folge hätte.

Auch im oberen Drehzahl- und Lastbereich macht sich ein relativ großer Abstand zwischen Abspritzpunkt und eigentlichem Brennraum unangenehm bemerkbar. In diesem Fall soll meist ein wesentlicher Teil des Kraftstoffes filmartig auf die Brennraumwand aufgetragen werden, um den Verbrennungsablauf bei einem Minimum an Rußerzeugung und unter Vermeidung von zu hohen Druckspitzen wie bekannt zu steuern. Wie erwähnt, trägt dazu die fehlende Relativgeschwindigkeit zwischen Verbrennungsluft und Kraftstoffstrahl wesentlich bei. In dem vorgesehenen Verbindungskanal oder in der Schnaupe lassen sich solche Verhältnisse nicht herstellen. Hier ist, zumindest gegen Ende des Einspritzvorganges, eine Strömung der Verbrennungsluft, welche die Relativgeschwindigkeit zum Kraftstoffstrahl gleich Null oder nahezu Null werden läßt, nicht erreichbar, so daß eine unerwünschte, stärkere Strahlauflösung und damit eine höhere Rußerzeugung auftritt.

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Hier setzt nun die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, bei einer Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Art, d.h. bei Anbringung eines Verbindungskanals oder einer Schnaupe die durch diesen bzw. durch diese auftretenden Nachteile wie verschlechterte Verbrennung und Rußbildung zu vermeiden.

Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß - in Draufsicht auf den Brennraum gesehen - der Schnittpunkt des geometrischen KraftstoffStrahles mit der den Zylinder begrenzenden Zylinderkopfebene, wenigstens innerhalb eines gedachten Kreises liegt, der höchstens das 1,1-fache des größten Brennraumdurchmessers beträgt.und daß in Richtung des geometrischen KraftstoffStrahles der Abstand des Kraftstoff-Abspritzpunktes von der den Brennraum begrenzenden, durch den Verbindungskanal oder die Schnaupe unterbrochenen Brennraumwand kleiner höchstens gleich 30 % des größten Brennraumdurchmessers ist.

Hierdurch entsteht eine Länge des Verbindungskanals bzw. der Schnaupe, durch die eine Entmischung und damit ein Niederschlagen des Kraftstoffes an den Kanalflächen im unteren Betriebsbereich sowie eine zu starke Auflösung des KraftstoffStrahles im oberen Betriebsbereich des Motors noch nicht wirksam auftritt, wobei der Querschnitt des Verbindungskanals nicht unnötig erweitert werden muß. Sofern der Verbindungskanal als Schnaupe ausgebildet ist, wird als Weiterbildung der Erfindung noch vorgeschlagen, daß die Längsachse der die Schnaupe bildenden, etwa halbkreisförmigen Ausnehmung im Kolben in Richtung zum Boden des Brennraums hin um einen Winkel steiler als die KraftstoffStrahlachse verläuft, daß sich die KraftstoffStrahlachse und die Längsachse im Kraftstoff-Abspritzpunkt schneiden, unl daß der Winkel zwischen beiden Achsen größer als 3 und kleiner als 15 ist. Der Radius der etwa halbkreisförmigen Schnaupe soll dabei möglichst unabhängig vom Durchmesser der Einspritzdüse zwischen

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4,75 und 5,0 mm betragen, egal ob es sich beispielsweise um eine 9 mm oder um eine 14 mm Einspritzdüse handelt. Die durch andere, eingangs erwähnte Maßnahmen erreichte gute Gemischbildung und Verbrennung in allen Betriebsbereichen des Motors bleibt so erhalten.

Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, daß die erfindungsgemäßen Merkmale durch Verschieben der Einspritzdüse im Zylinderkopf oder aber auch durch einen exzentrisch zur Kolbenlängsachse angeordneten Brennraum erreichbar sind.

Einzelheiten der Erfindung können der nachfolgenden Beschreibung eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles entnommen werden. Es zeigen:

Figur 1 eine Draufsicht auf einen kugelförmigen Brennraum mit einem als Schnaupe ausgebildeten Verbindungskanal ,

Figur 2 einen Schnitt II-II durch den Brennraum nach Figur 1 sowie die Anordnung der Kraftstoff-Einspritzdüse nach der Erfindung.

In den Figuren 1 und 2 ist der im Kolben 1 angeordnete, kugelförmige Brennraum mit 2 bezeichnet, der zum Zylinderkopf 3 hin einen eingeschnürten Hals 4 aufweist, in dem ein etwa tangential und schräg in den Brennraum 2 einmündender, als Schnaupe ausgebildeter Verbindungskanal 5 vorgesehen ist. Der größte Durchmesser des Brennraumes 2 ist mit D bezeichnet. In Verlängerung des Verbindungskanals 5 liegt im Zylinderkopf 3 die Kraftstoff-Einspritzdüse 6, deren Düsenöffnung 7 gleichzeitig den Kraftstoff-Abspritzpunkt darstellt. Die Mittelachse der Einspritzdüse 6 ist mit χ bezeichnet und gibt gleichzeitig die Richtung des geometrischen KraftstoffStrahles an.

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Lotet man den Schnittpunkt zwischen geometrischen Kraftstoffstrahl χ und der den Zylinder begrenzenden Zylinderkopf ebene 8, der im dargestellten Fall mit d»m Kraftstoff-Abspritzpunkt 7 zusammenfällt, in Figur 2 senkrecht nach unten, so liegt dieser, wie Figur 1 deutlich zeigt, innerhalb eines gedachten Kreises 10, der höchstens das 1,1-fache des größten Brennraumdurchmessers D beträgt. Aus Figur 2 ist schließlich noch erkennbar, daß der Abstand A des Kraftstoff-Abspritzpunktes 7 von der den Brennraum 2 begrenzenden, jedoch durch den Verbindungskanal 5 unterbrochenen Brennraumwand 9 in Richtung des geometrischen KraftstoffStrahles χ kleiner oder höchstens gleich 30 % des größten Brennraumdurchmessers D ist. Da im Beispiel der Verbindungskanal 5 als nahezu halbkreisförmig ausgebildete Schnaupe vorgesehen ist, erscheint es zweckmäßig, deren Längsachse y um einen Winkel U^} weiter in Richtung zum Boden des Brennraumes 2 hin steiler verlaufen zu lassen als die Kraftstoffstrahlachse x. Beide Achsen χ und y schneiden sich im Kraftstoff-Abspritzpunkt 7, wobei der Winkel f größer als 3° und kleiner als 15° sein soll. Der Radius R der Schnaupe. 5 liegt unabhängig vom Radius r der Einspritzdüse 6 zwischen 4,75 und 5,0 mm.

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Claims

Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg 2 8 A 2 4 5 7

Aktiengesellschaft

fo/sw

Nürnberg, den 26. September 1978

PATENTANSPRÜCHE

(VT* Luftverdichtende, direkt einspritzende Brennkraftmaschine mit Selbst- oder Fremdzündung, welche im Kolbenboden einen mit einem eingeschnürten Hals versehenen, rotationskörperförmigen Brennraum aufweist und bei der der einströmenden Verbrennungsluft eine Drehbewegung um die Brennraumlängsachse erteilt und der Kraftstoff durch einen Verbindungskanal oder eine Schnaupe im oberen Drehzahl- und/oder Lastbereich weitgehend filmartig auf die Brennraumwand aufgetragen wird, während im Leerlauf sowie im unteren Drehzahl- und/oder Lastbereich des Motors eine möglichst weitgehende unmittelbare Kraftstoff-Luftvermischung erfolgt, wobei der Kraftstoffeinspritzdruck an der Einspritzdüsenbohrung über den

gesamten Betriebsbereich des Motors konstant oder nahezu konstant gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß - in Draufsicht auf den Brennraum (2) gesehen - der Schnittpunkt des geometrischen KraftstoffStrahles (x) mit der den Zylinder begrenzenden Zylinderkopfebene (8) wenigstens innerhalb eines gedachten Kreises (10) liegt, der höchstens das 1,1-fache dos größten Brennraumdurchmessers (D) beträgt, und daß in Richtung des geometrischen Kraftstoff Strahles (x) der Abstand (A) des Kraftstoff-Abspritzpunktes (7) von der den Brennraum (2) begrenzenden,

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durch den Verbindungskanal (5) oder die. Schnaupe unterbrochenen Brennraumwand (9) kleiner höchstens gleich 3 0 % des größten Brennraumdurchme.ssers (D) ist.
2. Luftverdichtende, direkt einspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, bei der der Kraftstoff durch eine im eingeschnürten Hals des Brennraumes vorgesehene Schnaupe eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse (y) der die Schnaupe (5) bildenden, etv/a halbkreisförmigen Ausnehmung im Kolben (1) in Richtung zum Boden des Brennraumes (2) hin um einen Winkel ( ψ ) steiler als die KraftstoffStrahlachse (x) verläuft, daß sich die Kraftstoffstrahlachse (x) und die Längsachse (y) im Kraftstoff-Abspritzpunkt (7) schneiden, und daß der Winkel ('f ) größer als 3° und kleiner als 15° ist.
3. Luftverdichtende, direkt einspritzende Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius (R) der etwa halbkreisförmigen Schnaupe (5) unabhängig vom Radius (r) der Einspritzdüse (6) zwischen 4,75 und 5,0 mm liegt.

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