DE3034824C2

DE3034824C2 - Brennkraftmaschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung

Info

Publication number: DE3034824C2
Application number: DE3034824A
Authority: DE
Inventors: Hans Prof. Dipl.-Ing. Dr.Dr.h.c. 8020 Graz List
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-09-18
Filing date: 1980-09-16
Publication date: 1982-08-19
Also published as: DE3034824A1

Description

einfach durch die Anordnung der Düsenbohrungen am Mündungsstück gesteuert werden.

Aus der DE-OS 23 48 372 ist zwar eine Brennkraftmaschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung bekannt, welche mit je einem zumindest annähernd rotationssymmetrisch ausgebildeten und zumindest annähernd zentrisch zur Zylinderachse im Kolben angeordneten Brennraum, der durch eine Überströmöffnung mit dem Zylinderraum verbunden ist, und mit einer den Kraftstoff in den Brennraum einspritzenden Einspritzdüse je Zylinder versehen ist, wobei die Düsenbohrungen der Einspritzdüse während des Einspritzvorganges gegen die Umfangswand des Brennraumes gerichtet sind, wobei die in den Zylinder eingebrachte Verbrennungsluft einen Drall um die Zylinderachse aufweist, und wobei das Verhältnis von Durchmesser zu Länge der Düsenbohrungen der Einspritzdüse so abgestimmt ist, daß durch die nach diesem Verhältnis gegebenen öffnungswinkel und Reichweiten der Kraftstoffstrahlen eine annähernd gleichmäßige Kraftstoffb^schickung des ganzen Brennraumes erreicht ist. Die Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist jedoch mit dieder bekannten Brennkraftmaschine nicht gegeben, da insbesonders auch keinerlei Berücksichtigung des Dralls der Verbrennungsluft möglich oder vorgesehen ist.

Eine andere bekannte Ausführung ist in der US-PS 35 50 566 beschrieben. Diese zeigt eine Brennkraftmaschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung, mit je einem zumindest annähernd rotationssymmetrisch ausgebildeten und zumindest annähernd zentrisch zur Zylinderachse im Kolben angeordneten Brennraum, der durch eine Überitrömöffnung rr.ii dem Zylinderraum verbunden ist, und it!it eir.ei den Kraftstoff in den Brennraum einspritzenden Einspritzdüse je Zylinder, wobei sich die Düsenbohrungen der Einspritzdüse während des Einspritzvorganges im Bereich der Umfangswand des Brennraumes befinden und zumindest größtenteils gegen den der Einspritzdüse etwa diametral gegenüberliegenden Bereich der Umfangswand gerichtet sind, wobei die in den Zylinder eingebrachte Verbrennungsluft einen Drall um die Zylinderachse aufweist, und wobei die Kraftstoffstrahlen im wesentlichen in denjenigen durch die von der Achse des Brennraumes und vom Mündungsstück der Einspritzdüsen definierte Ebene und die Umfangswand gebildeten Teil des Brennraumes gerichtet sind, in welchem eine positive Überlagerung der Geschwindigkeit des eingespritzten Brennstoffes und der rotierenden Verb.ennungsluft gegeben ist. Auch durch diese Kombination von Merkmalen ist aber die Aufgabe der vorliegenden Erfindung nicht zufriedenstellend lösbar, da insbesonderes keinerlei Maßnahmen gesetzt sind, die eine Vergleichmäßigung der Kraftstoffbeschickung des Brennraumes ermöglichen.

Ein dargestelltes Ausführungsbeispiel wird im folgenden näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch das Detail eines ausgeführten Brennraumes und

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie Ii-II in Fig. i.

Der Kolben 1 einer nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine weist gemäß Fig. 1 einen Brennraum 2 auf, welcher bis auf eine Ausnehmung 3 rotationssymmetrisch ausgebildet und zentrisch zur Zylinderachse 4 angeo ^-dnet ist Der Kolben 1 wird im eingebauten Zustand mittels der Kolbenringe, deren oberster hier mit 5 bezeichnet ist, gegenüber dem nicht näher bezeichneten Zylinder abgedichtet.

Der Brennraum 2 ist durch eine Überströmöffnung 6 mit dem Zylinderraum 7 verbunden, wobei die Überströmöffnung 6 durch eine Einschnürung 8 gebildet wird, die von zwei Kegelflächen und eine zwischen \n diesen liegende Zylinderfläche begrenzt ist Durch diese Einschnürung 8 wird ein für die Gemischbildung und Verbrennung günstiges Zu- und Abströmen der Verbrennungsluft erreicht Dabei weist die in den Brennraum 2 eingebrachte Verbrennungsluft aufgrund von Drallkanälen, Leitflächen od. dgl. einen Drall in Richtung des Pfeiles ! 6 um die Zylinderachse 4 auf.

Die nicht näher dargestellte Einspritzdüse ist so angeordnet, daß sich ihre Achse 9 mit der Zylinderachse 4 schneidet und mit dieser einen spitzen Winkel bildet, und daß ihre am Mündungsstück 10 angebrachten Düsenbohrungen sich während des Einspritzvorganges im Bereich der Umfangswand 11 befinden. Die Düsenbohrungtn sind dabei so ausgerichtet, daß die freien KraftstofLtrahlen 12 vom Mündungsstück 10 ausgehend schräg nach unten verlaufen und in der Nähe des Brennraumbodens 13 auf den der Einspritzdüse gegenüberliegenden Bereich der Umfangswand 11 des Brennraumes 2 auftreffen.

Die Düsenbohrungen im Mündungsstück 10 sind so angeordnet, daß lediglich auf einer Seite einer durch die Zylinderachse 4 und das Mündungsstück 10 enthaltenden Ebene 17 (s. F i g. 2) Kraftstoff eingespritzt wird, und daß ihre Achsen, die zugleich die Achsen 14 der Kraftstoffstrahlen 12 sind, im eingebauten Zustand der Einspritzdüse fächerförmig auf zwei um das Mündungsstück 10 angeordneten Kegelflächen, deren Achse annähernd parallel zur Zylinderachse ist, liegen.

Die Kraftstoffstrahlen 12 bewirken aufgrund ihrer unsymmetrischen Anordnung relativ zur Ebene 17 also eine zusätzliche Erhöhung des Dralls des bereits in Richtung des Pfeiles 16 kreisenden Zylindennhalts und damit eine weitere Verbesserung der Gemischbildung sowie des Verbrennungsablaufes.

Durch Variation des Verhältnisses von Länge zu Durchmesser der Düsenbohrungen im Mündungsslück

10 der Einspritzdüse können der Öffnungswinkel sowie die Reichweite jedes einzelnen Kraftstoffstrahles 12 auf seine Richtung im Brennraum abgestimmt werden, wodurch eine sehr gleichmäßige Kraftstoffbeschickung des gesamten Brennraumes erreicht werden kann.

Es kann also jeder einzelne der Kraftstoffstrahlen 12 so ausgelegt werden, daß er auf seinem freien Weg zur Auftreffstelle an der Umfangswand 11 bereits weitgehend mit der im Brennraum 2 befindlichen Verbrennungsluft durchmischt ist und die Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffes auf diesem freien Weg somit weitgehend abgeschlossen ist. Da der auf die Umfangswand 11 des Brennraumes 2 auf treffende unverbrannte Kraftstoffanteil damit relativ gering ist, ist der Einfluß unterschiedlicher Temperatur der Wand des Brennraumes auf die Verbrennung selbst von untergeordneter Bedeutung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.

Claims

Patentanspruch:

Brennkraftmaschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung, mit je einem zumindest annähernd rotationssymmetrisch ausgebildeten und zumindest annähernd zentrisch zur Zylinderachse im Kolben angeordneten Brennraum, der durch eine Oberströmöffnung mit dem Zylinderraum verbunden ist, und einer den Kraftstoff in den Brennraum einspritzenden Einspritzdüse je Zylinder, wobei sich die Düsenbohrungen der Einspritzdüse während des Einspritzvorganges im Bereich der Umfangswand des Brennraumes befinden und zumindest größtenteils gegen den der Einspritzdüse etwa diametral gegenüberliegenden Bereich der Umfangswand in der Nähe des Brennraumbodens gerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Zylinder eingebrachte Verbrennungsluft einen Drall um die Zylinderachse aufweist, daß weiters das Verhältnis von Durchmesser zu Länge der Düsenbohrungen der Einspritzdüse so abgestimmt ist, daß durch die nach diesem Verhältnis gegebenen öffnungswinkel und Reichweiten der Kraftstoffstrahlen (12) eine annähernd gleichmäßige Kraftsioffbeschickung des ganzen Brennraumes (2) erreicht ist, und daß die Düsenbohrungen relativ zu einer die Achse des Brennraumes (2) und das Mündungsstück (10) der Einspritzdüse enthaltenden Ebene (17) derart unsymmetrisch angeordnet sind, daß die Kraftstoffstrahlen (12) im wesentlichen in denjenigen durch die Ebene (17) und die Umfangswand gebildeten Teil des Brennraumes (2) gerichtet sind, in welchem eine positive Überlagerung der Geschwindigkeit des eingespritzten Brennstoffes und der rotierenden Verbrennungsluft gegeben ist.

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung, mit je einem zumindest annähernd rotationssymmetrisch ausgebildeten und zumindest annähernd zentrisch zur Zylinderachse im Kolben angeordneten Brennraum, der durch eine Überströmöffnung mit dem Zylinderraum verbunden ist, und einer den Kraftstoff in den Brennraum einspritzenden Einspritzdüse je Zylinder, wobei sich die Düsenbohrungen der Einspritzdüse während des Einspritzvorganges im Bereich der Umfangswand des Brennraumes befinden und zumindest größtenteils gegen den der Einspritzdüse etwa diametral gegenüberliegenden Bereich der Umfangswand in der Nähe des Brennraumbodens gerichtet sind.

Bei der direkten Kraftstoffeinspritzung in bekannten Brennkraftmaschinen der genannten Art erfolgt die für die Verbrennung notwendige Gemischbildung zwischen Luft und Kraftstoff dadurch, daß der Kraftstoff durch feine, etwa sternförmig angeordnete Düsenbohrungen unter hohem Druck und daher mit hoher Geschwindigkeit in den Brennraum eingespritzt wird. Der feine Kraftstoffstrahl zerstäubt unmittelbar nach dem Austritt aus den Düsenbohrungen, wobei sich ein annähernd kegelförmiger Strahl bildet, in dem sich Luft und Kraftstoff dadurch mischen, daß durch.die Reibung zwischen den Kraftstofftröpfchen und der Luft im Brennraum die Geschwindigkeit der einzelnen Kraftstofftröpfchen verzögert, die Geschwindigkeit der Luft innerhalb des kegelförmigen Strahles beschleunigt und somit die Kraftstofftröpfchen weiter aufgeteilt und zerkleinert werden.

Diese Art der Gemischbildung kann nur innerhalb des freien Weges des aus der Einspritzdüse austretenden Kraftstoffstrahles erfolgen. Der auf diesem freien Weg noch nicht entzündete Kraftstoff trifft an der der Düsenbohrung gegenüberliegenden Wand des Brennraumes auf, schlägt sich dort nieder und verdampft ίο sodann innerhalb relativ kurzer Zeit. Der Kraftstoffdampf mischt sich mit der noch vorhandenen Luft und verbrennt in dieser. Die für die Verbrennung nach einer Wandaufspritzung erforderliche relativ rasche Verdampfung des auftreffenden Kraftstoffes setzt aber höhere Temperaturen des Brennraumes bzw. von dessen Wand voraus, welche im allgemeinen nur bei höherem Verdichtungsverhältnis, höheren Belastungen bzw. nach längerer Betriebsdauer der Brennkraftmaschine auftreten.

Andererseits ist die daraus sich ergebende Forderung nach einer Vergrößerung des Anteils des direkt im freien Kraftstoffstrahl, also noch vor dem Auftreffen auf die Brennraumwand, ausreichend mit der Verbrennungsluft durchmischten und sodann verbrannten Kraftstoffes nur bei größeren Zylinderabmessungen und damit ermöglichten großen Brennraumabmessungen ohne weiteres zu erfüllen. Dies führt bei den beispielsweise aus der DE-PS 9 74 093, der GB-PS 6 96 371 oder der US-PS 33 02 627 bekannten Brennkraftmaschinen der eingangs angesprochenen Art dazu, daß keine gleichmäßige Kraftstoffbeschickung des Brennraumes erzielbar ist, bzw. daß nicht in allen Bereichen des Brennraumes etwa zur gleichen Zeit und in gleichem Maße bereits brennfertig aufbereitetes Gemisch zur Verfügung steht.

Aufgabe der Erfindung ist es, Einspritzbrennkraftmaschinen der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß auch bei kleinen Zyiinderabmessungen, wie sie z. B. bei Pkw-Motoren gegeben sind, eine Abstimmung der Kraftstoffverteilung und der Verbrennung mit dem Drall der Verbrennungsluft und der Lage und Ausbildung der Einspritzstrahlen vorliegt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die in den Zylinder eingebrachte Verbrennungsluft einen Drall um die Zylinderachse aufweist, daß weiters das Verhältnis von Durchmesser zu Länge der Düsenbohrungen der Einspritzdüse so abgestimmt ist, daß durch die nach diesem Verhältnis gegebenen öffnungswinkel und Reichweiten der Kraftstoffstrahlen eine annähernd gleichmäßige Kraftstoffbeschickung des ganzen Brennraumes erreicht ist, und daß die Düsenbohrungen relativ zu einer die Achse des Brennraumes und das Mündungsstück der Einspritzdüse enthaltenen Ebene derart unsymmetrisch angeordnet sind, daß die Kraftstoffstrahlen im wesentlichen in denjenigen durch die Ebene und die Umfangswand gebildeten Teil des Brennraumes gerichtet sind, in welchem eine positive Überlagerung der Geschwindigkeit des eingespritzten Brennstoffes und der rotierenden Verbrennungsluft gegeben ist.

Die Düsenbohrungen der Einspritzdüse können demnach nur auf einer Seile der die Achse des Brennraumes und das Mündungsstück der Einspritzdüse enthaltenden Ebene Kraftstoff abgeben, wobei der auf diese Weise dem Zylinderinhalt übertragene Drall dem Drall der im Brennraum kreisenden Verbrennungsluft überlagert wird. Dieser, den Verbrennungsablauf durch Drallerhöhung günstig beeinflussende Effekt kann also