DE3003411C2

DE3003411C2 - Selbstzündende Hubkolben-Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3003411C2
Application number: DE3003411A
Authority: DE
Inventors: Werner Ing.(Grad.) Steimer; Emmerling Dr.-Ing. 8500 Nürnberg Wolfram; Hans-Jürgen Dipl.-Ing. 8501 Ammerndorf Zürner
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 1980-01-31
Filing date: 1980-01-31
Publication date: 1983-07-28
Also published as: SE8100742L; IN154033B; SU990085A3; US4401071A; JPS56121820A; FR2475141B1; CH651892A5; TR20893A; HU183290B; AR228446A1; GB2068460A; SE454719B; IT1135158B; JPH0143134B2; DD156014A1; BR8100650A; IT8119297A0; DE3003411A1; FR2475141A1; GB2068460B

Description

Die Erfindung betrifft eine selbstzündende Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem rotationssymmetrischen Kolbenbrennraum, in dem die Luft mit einem Drall um die Brennraumlängsachse angesaugt wird und in den Kraftstoff tangential an einen Kreis mit einem Durchmesser vom 0,6- bis 0,7fachen des Brennraumdurchmessers unter einem Winkel (δ) von 35° bis 50° zur Brennraumlängsachse in Richtung der rotierenden Luft eingespritzt wird.

Eine derartige Brennkraftmaschine ist aus der DE-OS 22 41 041 bekannt^Bei dieser findet ein kugelförmiger Brennraum Anwendung und der eingespritzte, vorzugsweise einzige Kraftstoffstrahl tangiert — in Draufsicht auf den Brennraum gesehen — einen Teilkreis innerhalb des Schwerkreises (oder den Schwerkreis selbst) des Luftwirbels. Dabei entspricht der Durchmesser des Teilkreises etwa dem 0,62- bis 0,68fächen des Durchmessers der Kugel und liegt somit innerhalb des oben angegebenen Bereichs. Außerdem ergibt sich aus der F i g. 1 dieser Vorveröffentlichung, daß der Kraftstoffstrahl — in seiner Projektion gesehen — einen Winkel (<5) von etwa 48° mit der Brennraumlängsachse bildet Dieser Wert liegt somit innerhalb des oben angegebenen Bereichs für diesen Winkel.

Eine ähnliche Brennkraftmaschine ist aus der DE-OS 27 28 063 bekannt. Diese unterscheidet sich von der erstgenannten dadurch, daß die eingespritzte Kraftstoffmenge an die Menge der im Bereich der Einspritzung vorhandenen Verbrennungsluft angepaßt werden soll. Dies will man durch Regelung der Einspritzmenge und gegebenenfalls auch der Einspritzdauer erreichen.

Bei luftverdichtenden, direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen wurden im Laufe der Jahre eine Reihe von Einspritz- und Gemischbildungsverfahren sowie die entsprechenden Einrichtungen entwickelt, die jedoch alle mehr oder weniger Vor- und Nachteile hatten. Viele dieser Verfahren sind aufgrund zu großer Nachteile schon nach kurzer Zeit wieder aufgegeben worden, so daß für die heutige Fachwelt nur noch einige klassische Einspritzverfahren als richtungsweisend angesehen werden.

Bei einer dieser Anordnungen wird beispielsweise der Kraftstoff durch eine zentral oder nahezu zentral zur

Brennraumöffnung angeordnete Einspritzdüse in Form von mehreren bzw. wenigstens drei Strahlen radial nach außen in die im Brennraum befindliche Verbrennungsluft eingespritzt. Dieser Verbrennungsluft wird beim Eintritt keine oder nahezu keine gerichtete Drallströmung verliehen, lediglich durch die Quetschwirkung, ' hauptsächlich bei eingeschnürten oder sogar omegaförmigen Brennräumen entsteht eine Wirbelbildung. Die Mehrstrahl-Einspritzung in diese Quetschwirbel führt zu einer mehr oder weniger guten Gemischaufbereitung und damit Verbrennung bei ungeordneten Strömungsverhältnissen. Als weiterer Nachteil muß gewertet werdet?, daß nach der Initialzündung eine schlagartige, harte und laute Verbrennung einsetzt, da viele Kraftstofftröpfchen aufgrund der kurzen Verweilzeit an der verdichteten Luft noch nicht genügend aufgeheizt bzw. verdampft sind. Im allgemeinen werden bei derartigen Brennkraftmaschinen bei Vollast Druckanstiege von. 6 bis 8 bar pro "KW gemessen. Im Teillastbereich ist das Verhältnis O₁Zd_x sogar noch größer oder wenigstens gleich 8 bar/" KW, was zu dem bekannten Dieselnageln führt

Die Maschinen weisen nur eine mittlere Bekstbarkeit an der Rauchgrenze auf, der Kraftstoffverbrauch ist mäßig gut, da relativ hohe Strömungsverluste auftreten und die Kraftstoffaufbereitung nicht optimal ist Bei kleinen Lasten und/oder Drehzahlen sowie beim Starten trifft aufgrund der kurzen Strahllängen der Kraftstoff meist nahezu senkrecht auf die Brennraumwand auf, wodurch sich unangenehm riechende und die ^ Augen reizende sichtbare Gase bilden. Es tritt eine hohe Emission an unverbrannten Kohlenwasserstoffen auf (CH-PS 1 75 433).

Bei einem weiteren bekannten Einspritzverfahren wird der Verbrennungsluft beim Einströmen in den JS Brennraum eine vergleichsweise mäßige Drehbewegung um die Brennraumlängsachse erteilt Die Kraftstoffeinspritzung erfolgt ebenfalls durch mehrere Strahlen, die quer zur Luftbewegung aus einer mittig zum Brennraum angeordneten Einspritzdüse radial nach außen verlaufen. Der Brennraum ist meist flach ausgebildet und weist am Brennraumrand kaum eine Einschnürung auf.

Nach der Initialzündung erfolgt bei einem solchen Motor ebenfalls eine schlagartige, harte und laute « Verbrennung, da auch hier zum Zündzeitpunkt bereits eine zu große Menge zündfähigpn Gemisches im Brennraum vorhanden ist. Im allgemeinen rechnet man

wie bei dem erstbeschriebenen Verfahren mit -^ =6 bis

d„ '"

8 bar/°KW im Vollastbewich und ^ >8 bar/"KW bei

Teillast, so daß das Dieselnageln wiederum nicht beseitigt wird. Die Belastbarkeit an der Rauchgrenze ist allerdings verhältnismäßig gut, da eine intensivere, gerichtete Durchmischung von Kraftstoff und Verbrennungsluft möglich wird. Als ebenfalls gut kann die Kraftstoffausnutzung und der Kraftstoffverbrauch bezeichnet werden, da zur Erzeugung des Luftdralls und durch die geringen Quetschströmungsverluste am Brennraumrand insgesamt nur geringe Strömungsverluste auftreten. Auch die Wärmeübergangsverluste an der Brennraumwand sind durch den vergleichsweise geringen Luftdrall als niedrig zu bezeichnen. Während des Betriebes im unteren Drehzahl- und/oder Lastbereich sowie beim Starten treten allerdings die gleichen Nachteile wie beim vorher beschriebenen Verfahren auf.

Bekannt ist außerdem durch die DE-PS 9 64 647 oder durch die DE-PS 9 69 826 eine Brennkraftmaschine, die im Kolbenboden einen rotationskörperförmigen Brennraum mit einem eingeschnürten Hals aufweist, in den durch eine seitlich am Brennraumrand angeordnete Einspritzdüse der Kraftstoff schräg eingespritzt wird. Eine gerichtete Luftströmung ist wiederum nicht vorgesehen, zur Vermischung des Kraftstoffes mit der Verbrennungsluft werden die Quetschströmungen und die Zerstäubung durch die Einspritzdüse herangezogen, daher treten auch die gleichen Nachteile wie vorbeschrieben auf.

Schließlich gehört zu den generell zu unterscheidenden Einspritz- und Gemischbildungsverfahren das Verfahren der Kraftstoff-Wandauftragung (DE-PS 8 65 683). Bei ihm findet vorwiegend ein kugelförmiger Brennraum mit einem eingeschnürten Brennraumrand Anwendung und der Kraftstoff wird durch eine außermittig zum Brennraum angeordnete Einspritzdüse mit einem oder mehreren Strahlen auf die Brennraumwand aufgetragen, wo er sich durch die kinetische Energie und durch den im Brennern herrschenden Luftdrall als dünner Film ausbreitet Insbesondere durch die heiße Brennraumwand wird er verdampft und dann intensiv mit der Verbrennungsluft vermischt

Nach Initialzündung durch fortwährendes Abdampfen wefc._ren Kraftstoffes erfolgt eine weiche und leise Verbrennung, was allein schon daraus hervorgeht, daß sich ein Wert für (JpZd_x=3 bis 4 bar/°KW bei Vollast ergibt Bei Teillastbetrieb liegt dieser Wert noch niedriger, so daß ein Nageln nicht mehr auftreten kann.

Durch die intensive Gemischbildung ist eine gute Belastbarkeit an der Rauchgrenze und eine gute Kraftstoffausnutzung möglich, jedoch müssen durch den hohen Luftdrall (50% höher als bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen) und durch die Quetschwirbel am Brennraumrand höhere Strömungsverluste in Kauf genommen werden. Aufgrund des hohen Luftdralls treten außerdem noch hohe Wärmeverluste an der Brennraumwand, insbesondere im Bereich des eingeschnürten Randes auf, wodurch dieser und auch der Zylinderkopf thermisch stark beansprucht werden.

Inr unteren Last- und/oder Drehzahlbereich sowie beim Starten, wo die Brennraumwand noch kalt bzw. relativ kalt ist, kann der auf die Wand aufgebrachte Kraftstoff nur unzureichend abgedampft werden, was eine unvollständige Verbrennung unter Bildung von unangenehm riechenden Abgasen und Emission an unverbrannten Kohlenwasserstoffen mit sich bringt. Auch durch die Wahl eines längeren, freien Kraftstoffstrahles, wie es durch die DE-PS 20 38 048 vorgeschlagen wurde, konnten diese Nachteile nicht vollständig beseitigt werden.

Hier setzt nun die Erfindung ein, der die Aufgabe zusru'i:d-2 liegt, eine selbstzündende Hubkolben-Brennkraftmaschine der eingangs erwähnten Art anzugeben bei der in allen Drehzahl- und Lastbereidien eine optimale Kraftstoffaufbereitung stattfindet, bei welcher eine intensive Vermischung der Kraftstofftröpfchen und eine nahezu ideale Aufteilung derselben auf die Verbrennungsluft unter weitgehender Vermeidung einer Wandanlagerung erfolgt sowie ein weitgehend geordneter Verbrennungsablauf erreicht wird Djr neue Motor soll sowohl im kalten als auch im warmen Zustand eine weichen ruhigen Lauf, eine geringe Abgastrübung, eine pute Belastbarkeit an der Rauchgrenze und eine gute Kraftstoffausnutzung aufweisen.

Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst,

daß der Kolbenbrennraum einen im wesentlichen flachen Boden und eine im wesentlichen flache, höchstens gering gegen die Brennraumlängsachse geneigte Wand besitzt, und daß der gesamte Kraftstoff in allen Drehzahl- und/oder Lastbereichen in feine Tröpfchen aufgerissen ist und der geometrische Hiiuptkraftstoffstrahl auf das Geschwindigkeitsmaximum in der rotierenden Luft gerichtet ist, wobei um die Brennraumlängsachse eine kraftstofflose Zone mit einem Durchmesser von ca. '/3 des Brennraumdurchmcssers und ein den übrigen Kolbenbrennraum ausfüllender Gemischring gebildet wird.

Durch die Einspritzung des Kraftstoffes in den angegebenen Brennraum in Richtung des Geschwindigkeitsmaximums der im Brennraum rotierenden Ver- brennungsluft wird der eingebrachte Kraftstoff derart aufgerissen, daß er sich überwiegend nur in den äußeren zwei Dritteln des Brennraumes (vom Brennraumboden bis zum Brennraumrand) anreichert und die Aufteilung des Kraftstoffes auf die Verbrennungsluft nahezu idea! erfolgt. Dabei bleibt die Mitte des Brennraumes zum Ausweichen von verbrannten Gasen vor dem Austritt aus dem Brennraum praktisch frei von Kraftstoff und es wird eine weitgehend geordnete Verbrennung erreicht, bei der das Gemisch von den Abgasen getrennt wird.

Voraussetzung ist natürlich, daß bereits beim Austritt des Kraftstoffes aus der Kraftstoff-Einspritzdüse durch entsprechende Ausbildung des Spritzloches bzw. der Spritzlöcher sofort Wert darauf gelegt wird, daß der oder die Kraftstoff strahlen aus möglichst fein zerstäubten Tröpfen bestehen, was zu einem großen Teil in allen Drehzahl- und/oder Lastbereichen des Motors nur dadurch möglich wird, daß der Druck am Spritzloch bzw. an den Spritzlöchern immer möglichst konstant und relativ hoch gehalten wird. Mittel hierfür sind bekannt Die feinen Tröpfchen werden so in Strahlform uniter weitgehender Vermeidung einer Wandanlagerung leichter vom Luftdrall mitgenommen, auf eine ausreichende Verdampfungstemperatur gebracht und schließlich mit der Verbrennungsluft vermischt

Durch eine derartige Kraftstoffaufbereitung mit zumindest teilweiser Verdampfung in der Verbrennungsluft vor der Vermischung mit dieser werden in allen Betriebsbereichen des Motors gute Betriebsdaten erreicht und es ist auch nicht mit Startschwierigkeiten zu rechnen. Der Wert dp/da ist 3,5 bis 4 bar/" KW, bei Vollast, was eine weich einsetzende und ablaufende Verbrennung bedeutet Da sich dieser Wert auch im Teiillastbereich nicht erhöht tritt ein Dieselnageln nicht auf. Schließlich müssen auch noch der gute Kraftstoff- so verbrauch durch den gesteuerten Verbrennungsablauf und die geringer? Strömungs- bzw. Wärmeverluste erwähnt werden. Letztere ergeben sich durch die verhältnismäßig geringe Einschnürung des flachen, napfartigen Brennraumes. Dadurch ergeben sich geringe Quetschwirbel und somit Strömungsverluste und der Brennraum (rand) wird thermisch nicht überbeansprucht d. h. nicht überhitzt

Es ist noch zu erwähnen, daß beim eingangs envähnten Stand der Technik (DE-OS 22 41 041,DE-OS «> 2? 28 063) zwar die Bildung eines Gemischringes nicht ausgeschlossen werden kann; da jedoch die Brennraumgiistaltung unterschiedlich ist, kann auch das Eindringen von Kraftstoff in das Brennraumzentrum nicht ausgeschlossen werden. Eine fein zerstäubte Einspritzung des &> Kraftstoffes, die auf das Geschwindigkeitsmaximum der rotierenden Verbrennungsluft gerichtet ist, ist diesen Druckschriften nicht zu entnehmen; vielmehr soll jeweils die Einspritzung des Kraftstoffes (mit einem mehr oder weniger kompakten Strahl) in den Schwerkreis der rotierenden Luft erfolgen. Es ist deshalb anzuzweifeln, daß sich bei der bekannten Brennkraftmaschine eine geordnete Verbrennung ergibt.

Bei einer anderen bekannten Brennkraftmaschine (DE-OS 20 01 518) soll die Kraftstoffeinspritzung und Vermischung des Kraftstoffes mit der Luft in einem Bereich des Brennraumes stattfinden, der nicht unmittelbar den heißen Verbrennungstemperaturen ausgesetzt ist. Um dies zu erreichen, werden innerhalb des Brennraumes Abschirmmittel vorgesehen, welche den Brennraum in wenigstens eine mit Zuleitungen für Kraftstoff und für Luft versehene Vergasungs- und Mischzone und in eine gesonderte Verbrennungszone unterteilen. Wegen des verhältnismäßig kleinen Volumens der so gebildeten Mischzone (Mischkammer) wird (insbesondere bei voller Belastung) ein reiches Gemisch aus Kraftstoff und Luft erzeugt, und Krack-Reaktionen, die ZU Stärker RußbÜdun" An!?.ß g<?b«?r>. werden, weil Hie Mischkammer gegenüber den hohen Temperaturen im eigentlichen Brennraum (Verbrennungszone) abgeschirmt ist vermieden. Das in der Mischzone entstandene Kraftstoff-Luftgemisch hat das Bestreben zur Mittelachse des Brennraumes zu fließen und dort ein Flammenzentrum zu bilden. Die Bildung eines den gesamten äußeren Bereich des Brennraumes ausfüllenden Gernischringes ist hier nicht vorgesehen, zudem erfolgt 'S« Gemischbildung mit anderen Mitteln, wodurch sich auch ein anderer Verbrennungsablauf ergibt

Bei der vorgeschlagenen Erfindung wird die freie Länge des vom Luftdrall mitgenommenen Hauptkraftstoffstrahles zweckmäßigerweise größer oder mindestens gleich dem 0,8fachen Brennraumdurchmesser gewählt, wodurch die Verbrennung sehr kontinuierlich verläuft, und der Gesamt-Strahlkegelwinkel des Kraftstoffstrahles soll zwischen 35" und 45° liegen.

Schließlich wird als Weiterbildung noch vorgeschlagen, daß bei voll geöffnetem Einlaßventil und einer mittleren axialen Kolbengeschwindigkeit von 10m/sec die Drehfrequenz der Verbrennungsluft im Zylinder — bezogen auf den Meßdurchmesser (0,7facher Kolbendurchmesser) — 130 bis 155 Hz und bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen 140 bis 165 Hz beträgt

Eine vorteilhafte Ausbildung des Brennraumes liegt vor, wenn das Verhältnis des Brennraumdurchmessers zum Kolbendurchmesser zwischen 0,44 und 0,5 liegt das Verhältnis der Brennraumtiefe zum Brennraumdurchmesser 0,55 bis 0,63 beträgt und der Brennraumdurchmesser zum im wesentlichen ebenen Brennraumboden hin insofern auf einen maximalen Durchmesser vei jrößert wird, indem die Brennraumwand unter einem Winkel von 4" bis 7° zur Brennraumlängsachse geneigt sich stetig erweiternd verläuft Der Obergang von der Brennraumwand zum Brennraumboden wird dabei zweckmäßigerweise durch eine Rundung gebildet deren Radius zum Brennraumdurchmesser in einem Verhältnis von 0,2 bis 0,25 steht

Flache, napfartige Brennräume sind an sich bekannt (vergleiche Seiten 234-238 der Zeitschrift »Kraftfahrzeugtechnik« 8/75). Auch sind dieser Literaturstelle Verhältniszahlen bzw. Winkelwerte zu entnehmen, die innerhalb der vorstehend angegebenen Bereiche liegen. Die Gesamtheit der Merkmale ist aber einer einzelnen Brennraumform dieser Literaturstelle nicht zu entnehmen.

Die vorgeschlagenen Brennraumabmessungen, so hat

sich herausgestellt, eignen sich für die räumliche Ausbreitung des Kraftstoffes in der beschriebenen Art am besten. Es können aber auch Brennraumformen mit anderen Bemessungen verwendet werden. Die Anzahl der Spritzlöcher in der Kraftstoff-Einspritzdüse hängt natürlich stark von der Brennraumform und -Größe ab, es soll sich daher nicht auf eine bestimmte Anzahl festgelegt werden. Kommt beispielsweise eine Einloch-Einspr:»^düse zur Anwendung, mit der der nötige Spritzdruck und die nötige Strahlaufreißung bzw. -Zerstäubung möglich ist, so wird vorgeschlagen, daß das Verhältnis des Spritzlochdurchmessers zur Spritzlochlänge zwischen 0,55 und 0,75 liegt. Ist es aufgrund der Brennraumform oder aus anderen Gesichtspunkten heraus angebracht, eine Zwei- oder Mehrlochdüse zu verwenden, so erscheint es zweckmäßig, die Spritzlochquerschnitte derart auszubilden, daß ein Hauptkraftstoffstrahl und ein oder mehrere Nebenstrahlen entstehen, die in einem Verhältnis zwischen 4 :1 und 2 :5 stehen, wobei etwa 5° bis !0° des Gcsamt-AufrciS-winkels von 35° bis 45° durch den oder die Nebenstrahlen gebildet werden.

Einzelheiten können der nachfolgenden Beschreibung zweier in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele entnommen werden. Es zeigt

F i g. 1 ein Diagramm über den im Brennraum einer Brennkraftmaschine herrschenden Geschwindigkeitsveriauf der rotierenden Verbrennungsluft, bezogen auf den Radius des Brennraumes,

Fig.2 einen Längsschnitt durch einen halben Brennraum, wie er in vorliegendem Fall Anwendung finden Äann, in dem die Dichteverteilung des in die Verbrennungsluft eingespritzten Kraftstoffes angedeutet ist, wenn ein Haupftkraftstoffstrahl eine bestimmte freie Länge aufweist,

F i g. 2a einen Längsschnitt wie in F i g. 3, bei dem der Brennraum einen größeren Durchmesser aufweist und der Kraftstoff durch zwei Strahlen eingespritzt wird.

F i g. 3 einen Längsschnitt durch den oberen Teil eines Kolbens mit einem Brennraum nach der Erfindung und einer Kraftstoffeinspritzung durch nur ein Spritzloch,

F i g. 4 eine Draufsicht auf den Kolben nach F i g. 3,

Fig.5 einen Längsschnitt durch den Kolben nach Fig.3 mit einer Kraftstoff-Einspritzung durch zwei Spritzlöcher,

F i g. 6 eine Draufsicht auf den Kolben nach F i g. 5,

F i g. 7 einen Längsschnitt durch den oberen Teil eines Kolbens mit einem Brennraum, wie er nach der Erfindung als Ideal vorgeschlagen wird.

In F i g. 1 stellt die Abszisse 1 den Brennraumradius r_B dar, der vom Mittelpunkt χ (Brennraumlängsachse) bis zur Brennraumwand 2 reicht Auf der Ordinate 3 ist die Umfangsgeschwindigkeit ν der im Brennraum rotierenden Verbrennungsluft aufgetragen. An der wohl übertrieben dargestellten Kurve 4 ist zu erkennen, daß diese Umfangsgeschwindigkeit unmittelbar an der Brennraumwand 2 durch die Reibung und, was wohl nicht näher zu erläutern ist, im Mittelpunkt χ des Brennraumes gleich Null ist Die größte Umfangsgeschwindigkeit Vaax tritt in einem Abstand r_w vom Mittelpunkt χ des Brennraumes auf. der etwa dem 0,6-bis 0,7fachen Brennraumradius tb entspricht Die größte Dichte der rotierenden Verbrennungsluft tritt in jedem Falle zwischen iw und der Brennraumwand 2 auf, deshalb wird bei vw und im folgenden Bereich die eingespritzte Kraftstoffmenge ihren Maximalwert erreichen, was sich jedoch beinahe zwangsweise ergibt, weil der bei κ™ eingespritzte Kraftstoff in jedem Falle durch die Zentrifugalkraft leicht in Richtung zur Brennraumwand 2 hin gedrängt wird. Maßgebend bei dieser Art von Kraftstoff-Einspritzung ist jedoch, daß die Kraftstofftröpfchen von Anfang an so fein zerstäubt werden, daß sie nicht an die Brennraumwand 2 gedrückt werden. Um dies zu erreichen, wird bei einer Einlochdüse das Verhältnis des Spritzlochdurchmessers zur Spritzlochlänge zwischen 0,55 und 0,75 gewählt und darauf geachtet, daß der Druck am Spritzloch in allen

ίο Betriebsbereichen des Motors nahezu konstant und ausreichend hoch ist.

In dem halben Brennraum gemäß Fig. 2 ist angedeutet, wie sich der eingespritzte Kraftstoff 5 durch die feine Zerstäubung und das Aufreißen eines einzigen Kraftstoffstrahles schließlich während der Gemischbildung verteilt. Um den Mittelpunkt bzw. die Brennraumlängsachse χ des Brennraumes 6 herum bildet sich eine Zone 6a, die praktisch nur Verbrennungsluft bzw. nach der Verbrennung Abgase enthält Diese Zone 6a wird von einem Kreis mit dem Radius r„ begrenzt, der etwa ein Drittel des Brennraumradius ra beträgt In den Rest 66 des Brennraumes 6 verteilen sich die Kraftstofftröpfchen 5 und passen sich der Brennraumgeometrie voll an. Eine Ausnahme bildet der Bereich, der in einem Abstand λ, von der Brennraumlängsachse χ des Brennraumes 6 liegt. Dort herrscht die größte Umfangsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft und anschließend, zur Brennraumwand 2 hin auch die größte Dichte. In diesem Bereich wird natürlich mehr Kraftstoff eingespritzt. Es wird daher die gezeigte Kraftstoffverteilung entstehen.

Wird der Kraftstoff in einen Brennraum 6 mit einem

relativ großen Brennraumradius γβ eingespritzt, so werden zweckmäßigerweise ein Hauptkraftstoffstrahl und ein oder mehrere Nebenstrahlen vorgesehen, wie

J5 Fig.2a zeigt Ansonsten herrscht die gleiche Gemischbildung wie bei F i g. 2.

In den Fig.3 und 4 ist angedeutet, wie die Kraftstoff-Einspritzung in den im Kolben 7 vorgesehenen Brennraum 6 mit nur einem Kraftstoffstrahl erfolgt.

-to Der Luftdrall ist durch einen Pfeil 8 gekennzeichnet Die Richtung des Kraftstoffstrahles bzw. dessen Zentrum ist mit 9 bezeichnet, das Zerstäuben des Kraftstoffstrahles

9 gemäß Fig.2 soll lediglich durch die strichliert dargestellten Linien 9a angedeutet sein. Maßgebend ist,

4". daß man erkennt daß das Zentrum des Kraftstoffstrahles 9 vom Spritzloch 10 aus nahezu bis zum Brennraumboden U dringt, bis es sich vollständig auflöst und daß es einen Kreis 12 tangiert, der das 0,6-bis 0,7fache des Brennraumdurchmessers Db beträgt

y> Zeichnet man das Zentrum des Kraftstoffstrahles 9 in einer Projektion aus der Richtung ζ in F i g. 4, so ergibt sich die in F i g. 3 dargestellte linie 96, die einen Winkel δ von 40° bis 50° zur Brennraumlängsachse χ geneigt verläuft Die Länge dieser Projektion 96 beträgt mindestens das 0,8fache des Brennraumdurchmessers

Db. Schließlich ist noch der Gesamt-Strahlkegelwinkel

α des Kraftstoffstrahles 9 angedeutet, der zwischen 35 und 45° liegt

In den F i g. 5 und 6 ist der gleiche Brennraum 6 wie in

den F i g. 3 und 4 dargestellt, lediglich die Kraftstoffeinspritzung erfolgt durch eine Einspritzdüse, die zwei Spritzlöcher 10,10a aufweist, von denen das Spritzloch

10 den Hauptkraftstoffstrahl 13 und das Spritzloch 10a einen Nebenstrahl 14 erzeugt Die Querschnitte der Spritzlöcher 10:10a stehen in einem Verhältnis von 4:1 bis 2:1, der Gesamt-Aufreißwinkel « bleibt weiterhin zwischen 35° und 45°, wobei ca. 5 bis 10° davon durch den Nebenstrahl 14 gebildet werden.

Zeichnet man hier das Zentrum des Hauptkraftstoffstrahles 13 und des Nebenstrahles 14 in einer Projektion aus der Richtung ζ in F i g. 6, so ergeben sich die in Fig.5 dargestellten Linien 136 und 146, wobei das Zentrum des Hauptkraftstoffstrahles 136 in einem -; Winkel öi von 40° bis 50° und das des Nebenstrahles 146 in einem Winkel öj zwischen 35° und 45° zur Brennraumlängsachse χ geneigt verläuft. Das Zentrum des Nebenstraiils 14 ist natürlich wesentlich weniger durchschlagkräftig und braucht es auch nicht zu sein, ι ο weil in seinem Einspritzbereich bereits eine geringere Umfangsgeschwindigkeit und auch Dichte der Verbrennungsluft herrscht.

F i g. 7, die noch einmal einen Brennraum zeigt, soll vor allem zur übersichtlichen Kennzeichnung dienen, welche Abmessungen ein Brennraum gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel aufweisen kann. Dies scheint erforderlich, weil mit dem nachfolgend beschriebenen Brennraum die besten Ergebnisse erzielt werden. Der Brennraum 6 befindet sich wieder im Boden des Kolbens 7 und ist im wesentlichen napfförmig ausgebildet. Das Verhältnis des Brennraumdurchmessers Db zum Kolbendurchmesser Dk liegt zwischen 0,44 und 0,5, wobei mit Db der Brennraumdurchmesser am Brennraumrand 15 gemeint ist. Die gesamte Brennraumtiefe T steht zum Brennraumdurchmesser D_B ebenfalls in einem bestimmten Verhältnis, und zwar soll dieses zwischen 0,55 und 0,63 liegen. Der Brennraumboden U ist überwiegend waagrecht ausgebildet. Die Brennraumwand 2 ist derart zur Brennraumlängsachse χ geneigt, daß sie sich vom Brennraumdurchmesser Db aus in Richtung zum Brennraumboden 11 hin mit einem Winkel φ von 4 bis 7° stetig erweitert, so daß der größte Brennraumdurchmesser D eigentlich in der Nähe des Brennraumbodens 11 liegt. Schließlich wäre noch zu erwähnen, daß der Übergang von der Brennraumwand 2 zum Brennraumboden 11 durch eine Rundung gebildet wird,deren Radius Λ zum Brennraumdurchmesser Dein einem Verhältnis von 0,2 bis 0,25 steht.

Zusammenfassend sollen die einzelnen Abmessungsverhältnisse noch kurz in Formeln aufgezeigt werden:

*DalDir*	= 0,44WsOJ
*T/Db"*	= 0,55 bis 0,63
φ	= 4" bis 7°
*R/Db*	= 0,2 bis 0,25.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

l.Selbstzündende Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem rotationssymmetrischen Kolbenbrennraum, in dem die Luft mit einem Drall um die Brennraumlängsachse angesaugt wird und in den Kraftstoff tangential an einen Kreis mit einem Durchmesser vom 0,6- bis 0,7fachen des Brennraumdurchmessers unter einem Winkel (<5) von 35° bis 50° zur Brennraumlängsachse in Richtung der rotierenden Luft eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenbrennraum (6) einen im wesentlichen flachen Boden (11) und eine im wesentlichen flache, höchstens gering gegen die Brennraumlängsachse (x) geneigte Wand (2) besitzt, und daß der gesamte Kraftstoff in allen Drehzahl- und/oder Lastbereichen in feine Tröpfchen aufgerissen ist und der geometrische Hauptkraftstoffstrahl (9 bzw. 13) auf das Geschwindigkeitsmaximum in der rotierenden Luft (8) gerichtet ist, wobei um die Brennrauinlängsachse (x) eine kraftstofflose Zone mit einem Durchmesser von ca. '/3 des Brennraumdurchmessers (Db) und ein den übrigen Kolbenbrennraum (6) ausfüllender Gemischring gebildet wird.

Z Selbstzündende Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die freie Länge des vom Luftdrall (8) mitgenommenen Haupt-Kraftstoffstrahls (9, 13) größer oder mindestens gleich dem 0,8fachen Brennraumdurchmesser (Db) b£.

3. Selbstzündende Hubkolben-Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der GesaroJ-Strahlkegelwinkel («) des eingespritzten Kraftstoffes zwischen 35° und 45° liegt

4. Selbstzündende Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei voll geöffnetem Einlaßventil und einer mittleren axialen Kolbengeschwindigkeit von 10m/sec die Drehfrequenz der Verbrennungsluft im Zylinder — bezogen auf den Meßdurchmesser (0,7facher KoI-bendurchmesser Dk) — 130 bis 155 Hz beträgt.

5. Selbstzündende Hubkolben- Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei voll geöffnetem Einlaßventil und einer mittleren axialen Kolbengeschwindigkeit von 10m/sec die Drehfrequenz der Verbrennungsluft im Zylinder — bezogen auf den Meßdurchmesser (0,7facher KoI- so bendurchmesser Dk) — bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen 140 bis 165 Hz beträgt.

6. Selbstzündende Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Brennraumdurchmesser (Db) zum Kolbendurchmesser (Dk) zwischen 0,44 und 0,5 liegt, daß das Verhältnis der Brennraumtiefe (T) zum Brennraumdurchmesser (Db) 0,55 bis 0,63 beträgt, und daß der Brennraumdurchmesser (Db) zum im wesentlichen ebenen Brennraumboden (11) hin insofern auf einen maximalen Durchmesser ^vergrößert wird, indem die Brennraumwand (2) unter einem Winkel (φ) von 4° bis 7° zur Brennraumlängsachse (x) geneigt sich stetig erweiternd verläuft.

7. Selbstzündende Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, daß der Übergang von der Brennraumwand (2) zum Brennraumboden (11) durch eine Rundung gebildet wird, deren Radius (R) zum Brennraumdurchmesser (Db) in einem Verhältnis von 02 bis 0,25 steht (Ä/D_s=0,2 bis 0,25).

8. Selbstzündende Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei als Kraftstoff-Einspritzdüse eine Einlochdüse zur Anwendung kommt, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Spritzlochdurchmessers zur Spritzlochlänge zwischen 0,55 und 0,75 liegt

9. Selbstzündende Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei als Kraftstoff-Einspritzdüse eine Zwei- oder Mehrlochdüse Anwendung findet, dadurch gekennzeichnet, daß die Spritzlochquerschnitte zur Bildung eines Hauptkraftstoffstrahles (13) und eines oder mehrerer Nebenstrahlen (14) in einem Verhältnis zwischen 4:1 und 2:1 vorgesehen sind, und daß etwa 5° und 10° des Gesamt-Strahlkegelwinkels («) von 35° bis 45° durch die Nebenstrahlen (14) gebildet werden.