DE2842457C2 - Luftverdichtende, direkt einspritzende Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit Selbstoder Fremdzündung, welche im Kolbenboden einen mit einem eingeschnürten Hals versehenen, rotationskörperförmigen Brennraum aufweist und bei der der w einströmenden Verbrennungsluft eine Drehbewegung um die Brennraumiängsachse erteilt und der Kraftstoff über eine außermittig angeordnete Einspritzdüse durch eine im eingeschnürten Hals des Brennraumes vorgesehene Schnaupe im oberen Drehzahl- und/oder Lastbereich weitgehend filmartig auf die Brennraumwand aufgetragen wird, wobei — 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 bei der in Richtung des geometrischen Kraftstoffstrahles der Abstand des Kraftstoff-Abspritzpunktes von der den Brennraum begrenzenden, durch die Schnaupe unterbrochenen Brennraumwand kleiner höchstens gleich 30% des größten Brennraumdurchmessers ist, und die Längsachse der die Schnaupe bildenden, etwa halbkreisförmigen Ausnehmung im Kolben in Richtung zum Boden des Brennraumes hin um einen Winkel (φ) steiler als die Kraftstoffstrahlachse verläuft, der größer als 3° ist.

Eine derartige Brennkraftmaschine ist durch die Literaturstelle »Kraftfahrzeugtechnik 5/76, Seiten 142 bis 145« bekannt Aus dieser geht hervor, daß auch bei Kleindieselmotoren mit Zylinderhub-volumina um 500 cm³ die Direkteinspritzung nach dem Vei fahren der Kraftstoffwandauftragung anwendbar ist. Dabei wurde ganz allgemein festgestellt, daß nicht allein die Größe der freien Strahllänge, sondern auch die Strahllage, beeinflußt vom Drall, Brennraumform und Düsenachsenlage, von maßgebender Bedeutung sind.

Bei Brennkraftmaschinen, die nach dem Verfahren der Kraftstoff-Wandauftragung arbeiten, ist es seit langem bekannt, daß allein schon, um die Initialzündung einzuleiten, ein Teil des in den Brennraum eingespritzten Kraftstoffes unmittelbar mit der Verbrennungsluft vermischt werden muß. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die im Leerlauf und im unteren Drehzahl- und Lastbereich erforderliche, geringe Einspritzmenge nahezu ausschließlich unmittelbar mit der Verbrennungsluft zu vermischen, da in diesen Bereichen 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.

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

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

Auch irr. oberen Drehzahl- und Lastbereich macht sich ein relativ großer Abstand zwischen Abspric.punkt 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 der vorgesehenen 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

Hier setzt nun die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, bei einer Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Art, nämlich einer Brennkraftmaschine mit eingeschnürtem Brennraumhals mit darin vorgesehener Schnaupe sowie einer außermittig angeordneten Einspritzdüse, in allen Betriebsbereichen eine gute Gemischaufbereitung zu erzielen, um eine schlechte Verbrennung und Rußbilduni' zu vermeiden.

Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Kraftstoffeinspritzdruck an der Einsprilzdüsenbohrung mit Hilfe einer Drosselzapfendüse über den gesamten Betriebsbereich ^es Motors konstant oder nahezu konstant gehalten wird, daß der Winkel ><> zwischen der Schnaupenlängs?chse und der Kraftstoffstrahlachse, die sich im Kraftstoff-Abspritzpunkt schneiden, kleiner als 15° ist und daß der Radius der etwa halbkreisförmigen Sciinaupe unabhängig vom Radius der Einspritzdüse zwischen 4,75 und 5,0 mm liegt.

Das erste Kennzeichensmerkmal ist an sich bekannt (DE-OS 27 09 161). Durch diese Maßnahme wird an und für sich über den gesamten Betriebsbereich eines Motor» eine gute Gemischaufbereitung und damit Verbrennung erreicht. Dabei führt die mit der so zwangsläufigen Verkürzung des Einspritzvorganges bei fallender Last oder Drehzahl verbundene Verminderung der Durchschlagskraft des Kraftstoffstrahles dazu, daß bei Leerlauf und im unteren Drehzahl- und Lastbereich, wo die Hinspritzmenge entsprechend <« gering ist, eine Brennraum-Wandauftragung weitgehend vermieden wird und daß aufgrund der guten Zerstäubung eine unmittelbare Kraftstoff-Luft Vermischung erfolgt. Die vorliegende Schnaupe muß dabei aus Gründen der Luftausnutzung so klein wie möglich sein, jedoch groß genug, um eine unerwünschte Berührung des sich entwickelnden kegeligen Kraftstoffstrahles mit ihrer Wand zu vermeiden. Dabei hat es sich herausgestellt, daß abhängig von der Schnaupenlänge und von der Düsenauslegung ein Winkel zwischen Strahlachse und Schnaupenachse von 3° wenigstens notwendig ist, daß aber größere Winkel als 15° in keinem Fall die Wandberührung des Kraftstoffes mehr beeinflußt, jedoch eine Verschlechterung in der Luftausnutzung und in der Störung des Luftdralls bringen. Die Gründe für die Angaben des Schnaupenradius sind ähnlich.

Einzelheiten eines Ausführungsbeispiels der Erfindung können der nachfolgenden Beschreibung eines in den Zeichnungen dargestellten AusfüL iingsbeispieles entnommen werden. Es zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht auf einen kugelförmigen Brennraum mit einem als Schnaupe ausgebildeten Verbindungskanal,

Fig.2 eben Schnitt H-II durch den Brennraum nach Fi g. 1 sowie die Anordnung der Kraftstoff-Einspritzdüse.

In den Fi g. 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 Brennraumef 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.

Lotet man den Schnittpunkt zwischen geometrischer. Kraftstoffstrahl χ und der den Zylinder begrenzenden Zylinderkopfebene 8, der im dargestellten Fall mit dem Kraftstoff-Abspritzpunkt 7 zusammenfällt, in Fig.2 senkrecht nach unten, so liegt dieser, wie F i g. 1 deutlich zeigt, innerhalb eines gedachten Kreises 10, der höchstens das 1,1 fache des größten Brennraumdurchmessers D beträgt. Aus Fig. 2 ist schließlich noch erkennbar, daß der Abstand A des Kraftstoff-Abspritzpunktes 7 von der den Brennraum 2 begrenzenden, jedoch durch die Schnaupe 5 unterbrochenen Brennraumwand 9 in Richtung dei geometrischen Kraftstoff-Strahles .1 kleiner oder höchstens gleich 30% des größten Brennraumdurchmessers D ist. Die Schnaupe ist als nahezu halbkreisförmige Ausnehmung*im Molben vorgesehen, wobei deren Längsachse/um einen Winkel φ weiter in Richtung /:um Boden des Brennraumes 2 hin steiler verläuft als die Kraftstoffstrahlachse x. Beide Achsen χ und y schneiden sich im Kraftstoff-Abspritzpunkt 7, wobei der Winkel φ größer als 3° und kleiner als 15° ist. Der Radius R der Schnaupe 5 liegt unabhängig vom Radius rder Einspritzdüse 6 zwischen 4,75 und 5,0 mm, egal ob es sich beispielsweise um eine 9 mm oder um eine 14 mm Einspritzdüse handelt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit Selbst- oder Fremdzündung, welche im Kolbenboden einen mit einem eingeschnürten Hals versehenen, rotationskörperfönnigen Brennraum aufweist und bei der der einströmenden Verbrennungsluft eine Drehbewegung um die Brennraumlängsachse erteilt und der Kraftstoff über eine außermittig angeordnete Einspritzdüse durch eine im eingeschnürten Hals des Brennraumes vorgesehene Schnaupe im oberen Drehzahl- und/ oder Lastbereich weitgehend filmartig auf die Brennraumwand aufgetragen wird, wobei — in Draufsicht auf den Brennraum gesehen — der ic Schnittpunkt des geometrischen Kraftstoffstrahles mit der den Zylinder begrenzenden Zylinderkopfebene wenigstens innerhalb eines gedachten Kreiües liegt, der höchstens das l.lfache des größten Brennnu_,oidurchmessers beträgt, und bei der in Richtung des geometrischen Kraftstoffstrahles der Abstand des Kraftstoff-Abspritzpunktes von der den Brennraum begrenzenden, durch die Schnaupe unterbrochenen Brennraumwand kleiner höchstens gleich 30% des größten Brennraumdurchmessers ist, und die Längsachse der die Schnaupe bildenden, etwa halbkreisförmigen Ausnehmung im Kolben in Richtung zum Boden des Brennraumes hin um einen Winkel (φ) steiler als die Kraftstoffstrahlachse verläuft, der größer als 3° ist, d a d u r c h g e k e η in zeichnet, daß der Kraftstoffeinspritzdruck an der Einspritzdüsenbohrung mit Hilfe einer Drossel-. zapfendüse über de.i gesagten Betriebsbereich des Motors konstant odyr nahezu konstant gehalten wird, daß der Winkel {φ) zws chen der Schnaupen- J5 längsachse (y) und der Kraftstoffstrahlachse (x), die sich im Kraftstoff-Abspritzpunkt (7) schneiden, kleiner als 15° ist und daß der Radius (R) der etwa halbkreisförmigen Schnaupe (S) unabhängig vom Radius (r) der Einspritzdüse (6) zwischen 4,75 und 5,0 mm liegt