DE3121344A1 - Luftverdichtende, direkteinspritzende brennkraftmaschine - Google Patents

Luftverdichtende, direkteinspritzende brennkraftmaschine

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DE3121344A1
DE3121344A1 DE19813121344 DE3121344A DE3121344A1 DE 3121344 A1 DE3121344 A1 DE 3121344A1 DE 19813121344 DE19813121344 DE 19813121344 DE 3121344 A DE3121344 A DE 3121344A DE 3121344 A1 DE3121344 A1 DE 3121344A1
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Description

üb/kr
M.A.N. Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg Aktiengesellschaft
Nürnberg, den -22. Mai 1981
Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine
Die Erfindung bezieht sich auf eine luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine, welche im Kolben einen rotatxonskörperförmigen Brennraum mit eingeschnürter Uberströmöffnung aufweist und bei der der einströmenden Verbrennungsluft durch bekannte Mittel eine Drehbewegung um die Brennraumlängsachse erteilt wird, bei der der Kraftstoff über eine außermittig in der Nähe des Brennraumöffnungsrandes
im Zylinderkopf angeordneten
Einspritzdüse mit nur einem Strahl derart in Richtung der rotierenden Verbrennungsluft in den Brennraum eingespritzt wird, daß an der Brennraumwand die Bildung eines Kraftstofffilms möglich ist, wobei der Auftreffpunkt des Kraftstoffstrahles auf die Brennraumwand durch entsprechende Wahl des Düsenwinkels und der Düsenlage im unteren Viertel des Brennraumes liegt.
Eine derartige Brennkraftmaschine ist aus dfr DE-PS 20 38 bekannt.
Bei Brennkraftmaschinen, bei denen die Gemischbildung überwiegend durch Kraftstoffwandauftragung erfolgt, kommt der Luftbewegung im Brennraum eine doppelte Bedeutung zu. sie muß' erstens eine genügend schnelle und wirksame Ablösung des durch die wärme Brennraumwand aufbereiteten Kraftstoffes
bewirken und zweitens eine nachfolgende Vermischung des Kraftstoffes mit der Luft ergeben.
Die Luftbewegung wird dabei durch zwei Maßnahmen hervorgerufen; durch die genannte Drehung der Verbrennungsluft (initial« Luftdrehung) um die Brennraumlängsachse entstehend während des Ansaughubes und dadurch, daß der Brennraum nach oben hin eingezogen ist, so daß beim Einströmen der Luft in den Brennraum (beim Verdichtungshub)eine turbulente Quetschströmung entsteht. Dabei ist natürlich die achsensymmetrische Drehbewegung, die im oberen Totpunkt des Kolbens ihre höchste Geschwindigkeit erreicht, für die Ablösung des aufgespritzten Kraftstoffes besonders geeignet, da aber die Luftbewegung genügend heftig sein muß, um den Kraftstoff schnell und sicher ablösen zu können, wird man bemüht sein, zu der Drehbewegung noch die Quetschströmung heranzuziehen, denn durch die Überlagerung der rotierenden horizontalen Strömung der angesaugten Luft mit der annähernd rechtwinkelig dazu auftretenden Strömung durch das Uberschieben der Luft in den Brennraum wird eine intensive Turbulenz erzeugt, wobei durch die Einschnürung eine turbulenzfördernde Geschwindigkeitserhöhung der Uberschiebeströmung erreicht wird. Daraus resultiert eine rasch ablaufende, ausgezeichnete Gemischaufbereitung und in weiterer Folge ein wesentlich günstigerer Verbrennungsablauf. Dies gilt aber überwiegend nur für den oberen Drehzahlbereich. Im niedrigen Drehzahlbereich können zu starke Quetschwirbel sich aber wieder negativ auf die Verbrennung auswirken, da sie den in den Brennraum eintretenden Kraftstoff strahl, der im niedrigen Drehzahlbereich nur eine geringe kinetische Energie besitzt, beim Eintauchen in den Brennraum zur Brennraumwand ablenken können. Gerade im niedrigen Drehzahlbereich soll aber wegen der noch relativ kühlen Brennraumwand eine geringe Wandauftragung erfolgen
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und mehr eine unmittelbare Vermisehung des Kraftstoffes mit der Luft stattfinden.
Bei der bekannten Brennkraftmaschine wird dies zuerst einmal durch die größere freie Länge des Kraftstoffstrahles erreicht, wobei noch zusätzlich die im Durchmesser etwas größer gewählte Überströmöffnung und auch die Senkung der Drehfrequenz der Luft im Brennraum dazu beitragen.
Es hat sich nun herausgestellt, daß auch bei dieser Brennkraftmaschine die Quetschwirbel bzw. Sekundärwirbel oftmals die Ursache für eine nicht ganz optimale Verbrennung im niedrigen Drehzahlbereich waren, da, so muß es wenigstens angenommen werden, anscheinend immer noch eine zu intensive Ablenkung an die noch zu kühle Brennraumwand erfolgte. Eine noch stärkere Vergrößerung des Uberströmöffnungsdurchmessers würde zwar für den niedrigen Drehzahlbereioh eine weitere Verbesserung bringen, würde aber die Werte im oberen Drehzahlbereioh stark verschlechtern.
Hier setzt nun die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, beL einer Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Art die entstehenden Quetschwirbel in einfacher, unkomplizierter Weise im Bereich des Kraftstoffeintrittes in den Brennraum so zu beeinflussen, daß he einem möglichst breit gewählten Kraftstoffauftreffbareich im unteren Viertel des Brennraumes und bei weitgehend freier Wahl der Brennraumform im Leerlauf und im unteren und mittleren Teillastgebiet des Motors eine bestmögliche Verminderung der Blau- und Weißrauchbildung erreicht wird, ohne daß eine Verschlechterung der Betriebsdaten im oberen Last- bzw. Drehzahlbereioh eintritt»
Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die eingeschnürte Überströmöffnung einen ovalförmigen Querschnitt und in Umfangsrichtung eine unterschiedliche Wandhöhe aufweist, daß, in Draufsicht auf den Brennraum gesehen, der größere Durchmesser des Halses durch die Brennraummitte in Richtung zum Strahlabspritzpunkt der Einspritzdüse verläuft, wobei der Abstand des Strahlabspritzpunktes zur Brennraummitte das 0,35— bis 0,70-fache des Brennraumdurchmessers beträgt und die geometrische Kraftstoffstrahlrichtung einmal, in einer zur Brennraumachse senkrechten Ebene projeziert, mit einer Geraden, die durch die Brennraumlängsachse (Brennraummitte) verläuft, im Strahlabspritzpunkt einen Winkel von 10 bis 50° einschließt, und zum weiteren, mit einer zur Brennraumlängsachse senkrechten Ebene einen Winkel von 20 bis 60° bildet.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung und Lage der Uberströmöffnung werden die Quetschwirbel im Bereich des Kraftstoffeintritts in den Brennraum derart abgeschwächt, daß der Kraftstoffstrahl innerhalb des angegebenen Lagebereichs des Strahlabspritzpunktes bzw. der Winkelbereiche der geometrischen Kraftstoffstrahlrichtungen weniger stark an die Brennraumwand abgelenkt wird. Dies wird folgendermaßen erklärt: erstens verringert sich in den Endbereichen des größeren Durchmessers der ovalen Überströmöffnung durch die geringere Entfernung der Brennraumöffnung zur Zylinderwandung die Intensität der Quetschströmung und zweitens liegt in diesen Bereichen auch eine geringere Hinterschneidung von der Überströmöffnung zur Brennraumseitenwand vor. Dadurch werden die Quetsohwirbel weniger stark zur Brennraumseitenwand umgelenkt bzw. die Umlenkung wird durch die größere Wand-
höhe in diesen Bereichen tiefer in den Brennraum verlegt, wodurch die Intensität der Kraftstoff-Wandanlagerung nachläßt. Der weniger starke Quetschwirbel wirkt sich somit nur positiv hinsichtlich Ablenkung des KraftstoffStrahles in Richtung Wand aus, d.h.er fördert im unteren Drehzahlbereich die unmittelbare Vermischung mit der Luft. Dabei ergeben sich auch in den oberen Drehzahl- bzw. Lastbereichen keine Verschlechterungen, und zwar schon deshalb, weil in den Bereichen des kleineren Durchmessers der Uberströmö'ffnung eine stärkere Quetschwirbelbildung stets beibehalten wird bzw. die im oberen Drehzahlbereich energiestärkeren Kraftstoffstrahlen stets die Brennraumwand erreichen, nicht zuletzt auch wegen der höheren Drehfrequenz der Luft. Somit wird in allen Drehzahlbereichen eine bessere Aufbereitung des Kraftstoffes erzielt, was zu einer deutlichen Verbesserung der Abgaswerte führt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn das Durchmesserverhältnis cL/d« des ovalen Brennraumhalses zwischen 1,05 und 1,25 liegt.
Der Strahlabspritzpunkt kann nicht nur in radialer Richtung verschiedene Lagen einnehmen, sondern er kann auch (innerhalb der angegebenen Abstände zur Brennraummitte) um maximal + 20° von der Richtung des größeren Dl* <uhmessers d. des Halses abweichen.
Die Überströmöffnung kann die Form einer Ellipse oder die Form eines Langloehes aufweisen,,
Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann die Wandung der tlberströmöffnung vertikal, d.h. parallel zur Brennraumlängsachse ausgebildet sein. Dabei ist die Wandhöhe in den Wandungsbereichen des größeren Durchmessers d. am größten
und in den Wandungsbereichen des kleineren Durchmessers d2 am kleinsten. In vorteilhafter Weise kann die größte Wandhöhe zwischen 15 und 20 % und die kleinste Wandhöhe zwischen 5 und 10 % des Brennraumdurchmessers D betragen.
In bekannter Weise beträgt der Luftdrall der rotierenden Verbrennungsluft zwischen 130 und 180 Hz.
Sofern ein kugelförmiger Brennraum Verwendung findet, wird ein besonders günstiger Verbrennungsablauf dann erreicht, wenn die Entfernung des Strahlabspritzpunktes zur Brennraummitte das 0,50-bis 0,55-fache des Brennraumdurchmessers beträgt, der Winkel α zwischen 15 und 40 und der Winkel κ zwischen 40 und 50 liegt und das Durchmesserverhältnis d1/d2 1,10 bis 1r15 beträgt.
Weitere Einzelheiten der Erfindung können den Zeichnungen entnommen werden und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen Längsschnitt durch den oberen Teil eines Kolbens im oberen Totpunkt mit zwei eingezeichneten geometrischen Kraftstoffstrahlen nach der Erfindung,
Figur 2 eine Draufsicht auf den Kolben nach einem Schnitt H-II in Fig. 1 ,
Figur 3 einen Schnitt in der Ebene des einen Kraftstoffstrahles gemäß HI-III in Fig. 2 (Hilfskonstruktion),
Figur 4 eine Abwicklung der Wandhöhe der überStrömöffnung über einen Winkelbereich von 0 bis 180°.
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In den Figuren 1 und 2 weist ein nur zum Teil dargestellter Kolben 1 in seinem Kolbenboden 2 einen kugelförmigen Brennraum 3 mit einem Durchmesser D auf. Der Brennraum 3, der auch andere rotationssymmetrische Formen aufweisen kann, ist durch eine eingeschnürte Uberströmöffnung 4 mit dem Zylinderraum 12 verbunden. In der halsförmigen Uberströmöffnung 4, die einen ovalförmigen Querschnitt in Form einer Ellipse oder eines Langloches aufweist, ist eine Schnaupe 5 zur Einspritzung des Kraftstoffes durch eine Einspritzdüse 7, welche außermittig der Brennraumlängsachse 13
im Zylinderkopf 6 angeordnet ist, vorgesehen. Durch die ovale Formgebung der Uberströmöffnung 4 ist aber die Notwendigkeit einer Schnaupe nicht Bedingung.
Die Äquatorebene des Brennraumes 3 ist durch eine strichpunktierte Linie 8 gekennzeichnet. Die Einspritzung des Kraftstoffes erfolgt in das untere Viertel des Brennraumes 3, Dies erreicht man durch entsprechende Wahl des Düsenwinkels (Abweichung der Strahlrichtung von der Düsenachse) bzw. entsprechender Wahl der Düsenlage und/oder durch entsprechende Drehung der Einspritzdüse. Durch die Einspritzung des Kraftstoffes in den unteren Bereich des Brennraumes ergibt sich eine größere freie Länge des KraftstoffStrahles.
Die Linien 9 und 9a zeigen die Richtung von zwei geometrischen Kraftstoffstrahlen an, die bei den Punkten K und 10a auf die Brennraumwand 11 auftreffen. Erfindungsgemäd wird die Kraftstoff Strahlrichtung so gewählt, daß der geometrische Kraftstoff strahl, in einer zur Brennraumachse 13 senkrechten Ebene projeziert, mit einer Geraden 17 die vom Strahlabspritzpunkt 15 durch die Brennraumlängsachse 13 (Brennraummitte) verläuft, einen Winkel ^zwischen 10 und 50° einschließt und zum weiteren, mit einer zur Brennraumlängsachse 13
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ORIGINAL
senkrechten Ebene, beispielsweise Zylinderkopfebene, einen Winkel J- von 20 bis 6o° bildet.
Im Ausführungsbeispiel ergibt sich für den Kraftstoff strahl 9 ein V-Wert von etwa 17° und für den Kraftstoffstrahl 9a ein ^1 -Wert von etwa 38°.
In der Figur 2 ist eine ellipsenförmige Uberströmöffnung 4 dargestellt. Der größere Durchmesser der Ellipse wird mit d., und der kleinere Durchmesser mit dp bezeichnet. Das Durchmesserverhältnis d./d» liegt zwischen 1,05 und 1,25. Der Strahlabspritzpunkt 15 ist im Endbereich des größeren Durchmessers d. angeordnet und kann innerhalb des Bereiches 19 liegen. Er kann + 20° von der Richtung des größeren Durchmessers d. abweichen; im AusfUhrungsbeispiel beträgt die Abweichung ca. 10°. Der Abstand des Strahlabspritzpunktes zur Brennraummitte ist mit 1 bezeichnet. Er kann das 0,35- bis 0,70-fache des Brennraumdurchmessers D betragen. Im Ausführungsbeispiel ergibt sich für 1 etwa 0.55 D. Der Pfeil 14 gibt die Drehrichtung der Luft an.
Bei einer Lageänderung des Strahlabspritzpunktes .15 innerhalb des In der Flg. 2 strichllerten Bereiches ergibt sich zwar auch Jeweils eine andere Auftreffpunktlage des KraftstoffStrahles auf der Brennraumwand 11, der Winkelwert für $ und J^bleibt aber dabei in etwa erhalten, vorausgesetzt, die anderen Bedingungen, wie z.B. der DUsenwinkel, werden beibehalten. Ganz exakt gilt dies nur für einen kugelförmigen Brennraum, mit dem man die besten Ergebnisse dann erzielt, wenn die Entfernung (l) des Strahlabspritzpunktes 15 zur Brennraum-
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mitte das 0,50- bis 0,55-fache des Brennraumdurchmessers D beträgt, der Winkel ^ zwischen 15 und 40° und der Winkel J" zwischen 40 und 50° liegt und bei dem das Durchmesserverhältnis d./ύη des ovalen Brennraumhalses 1,10 bis 1,15 beträgt.
In der Fig 3 ist der J~-Wert für den Kraftstoffstrahl 9 dargestellt. Dieser hat in der Figur etwa 45°. Aus dieser Figur ist auch die tatsächliche Strahllänge des geometrischen KraftstoffStrahles 9 entnehmbar. Dieser trifft in Punkt 10 auf die Brennraumwand auf. Der Punkt 10 liegt dabei auf einem Kreis, welcher als Schnitt der Ebene III-III gemäß Fig. 2 mit dem kugelförmigen Brennraum entsteht. Die Fig. 3 dient lediglich als Hilfskonstruktion für die Darstellung des Winkels J~, wobei die zur Zylinderachse senkrechte Ebene, z.B. Zylinderkopfebene, mit \6 bezeichnet ist.
Die Fig. 4 zeigt die Abwicklung der Wandhöhe der Uberströmöffnung 4 über einen Winkelbereich von 0 bis l80°.
Duroh die Erfindung wird bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art mit einfachen Mitteln, nämlich durch besondere Ausgestaltung des Brennraumhalses bei Einhaltung bestimmter Voraussetzungen für die Einspritzung des Kraftstoffes in den Brenr aumc eine jeweils erwünschte Gemischbildung selbs'-tätig herbeigeführt, wobei der übergang von Teillast- auf Vollastbetrieb ebenfalls in selbsttätiger Anpassung an die Jeweils erforderliche Luft- bzw. Wandvertellung des Kraftstoffes erfolgt. Es sind dazu keine besonderen mechanischen Hilfsmittel und/oder von außen her vorzu-
nehmende Regelmaßnahmen zur Erreichung dieses Effektes notwendig. Außerdem ist es nicht erforderlich, daß so enge Bereiche für die Drehfrequenz der Luft wie beim Stand der Technik (DE-PS 20 38 048) eingehalten werden müssen.
ORIGINAL INSPECTED
Leerseite

Claims (1)

  1. üb/kr
    M.A.N. Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg Aktiengesell schaft
    Nürnberg, 22. Mai I98I
    Patentansprüche
    t. Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine, welche im Kolben einen rotationskörperförmigen Brennraum mit eingeschnürter Überströmöffnung aufweist und bei der der einströmenden Verbrennungsluft durch bekannte Mittel eine Drehbewegung um die Brennraumlängsachse erteilt wird, bei der der Kraftstoff über eine außermittig in der Nähe des Brennraumöffnungsrandes im Zylinderkopf angeordneten Einspritzdüse mit nur einem Strahl derart in Richtung der rotierenden Verbrennungsluft in den Brennraum eingespritzt wird, daß an der Brennraumwand die Bildung eines Kraftstoffilms möglich ist, wobei der Auftreffpunkt des Kraftstoffstrahles auf die Brennraumwand durch entsprechende Wahl des Düsenwinkels und der Düsenlage im unteren Viertel des Brennraumes liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die eingeschnürt:■-■ uberströmöffnung (4) einen ovalförmigen Querschnitt und in Umfangsrichtung eine unterschiedliche WandhJhe aufweist, daß, in Draufsicht auf den Brennraum gesehen, der größere Durchmesser (d.) des Halses (4) durch die Brennraummitte in Richtung zum Strahlabspritzpunkt (15) der Einspritzdüse (7) verläuft, wobei der Abstand (1) des Strahlabspritzpunktes (15) zur Brennraummitte das 0,35- bis
    BAD
    ν» I C I Ott
    0,70-fache des Brennraumdurchmessers (D) beträgt und die geometrische Kraftstoffstrahlrichtung (9) einmal, in einer zur Brennraumachse (13) senkrechten Ebene projeziert, mit einer Geraden (17), die durch die Brennraumlängsachse (13) (Brennraummitte) verläuft, im Strahlabspritzpunkt (15) einen Winkel ( V ) von 10 bis 50° einschließt und zum weiteren, mit einer zur Brennraumlängsachse (13) senkrechten Ebene einen Winkel (J-) von 20 bis 60° bildet.
    2. Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchmesserverhältnis (d./djj) des ovalen Brennraumhalses (4) zwischen 1,05 und 1,25 liegt.
    3. Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlabspritzpunkt (15) von der Richtung des größeren Durchmessers (d.) des Halses (4) um maximal + 20° abweicht.
    4. Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch I oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die ovale Uberströmöffnung (4) die Form einer Ellipse hat.
    5· Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die ovale Uberströmöffnung (4) die Form eines Langloahes hat, welches aus zwei Halbkreisen und einem mittleren ebenen Zwischenstück gebildet ist.
    6. Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch I oder folgenden, daduroh gekennzeichnet, daß die Wandung der Überströmöffnung (4) vertikal, d.h. parallel zur Brennraumlängsachse (13) verläuft.
    ORIGINAL
    7. Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandhöhe der Überströmöffnung (4) in den Wandungsbereichen des größeren Durchmessers (d.) am größten und in den Wandungsbereichen des kleineren Durchmessers (d2)am kleinsten ist.
    8, Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch I oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die kleinste Wandhöhe der Überströmöffnung (4) 5 bis 10 % und die größte Wandhöhe 15 bis 20 % des Brennraumdurchmessers (D) beträgt.
    9· Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß, wie an sich bekannt, die Drehfrequenz der rotierenden Verbrennungsluft - bezogen auf den Meßdurchmesser (0,7 Zylinderbzw. Kolbendurchmesser) und maximalen Ventilhub sowie 10 m/sec mittlerer Kolbengesohwindigkeit - zwischen IjJO und l8o Hz beträgt.
    10. Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine, welche im Kolben einen rotationskörperförmigen Brennraum mit eingeschnürter Überströmöffnung aufweist und bei der der einströmenden Verbrennungsluft duzvU bekannte Mittel eine Drehbewegung um die Brennrau längsachse erteilt wird, bei der der Kraftstoff über eine außermittig in der Nähe des Brennraumöffnungsrandes im Zylinderkopf angeordneten Einspritzdüse mit nur einem Strahl derart in Richtung der rotierenden Verbrennungsluft in den Brennraum eingespritzt wird, daß an der Brennraumwand die Bildung eines KraftstoffiIms möglich ist, wobei der Auftreffpunkt des Kraftstoffstrahles auf die Brennraum-
    ßAD ORIGINAL
    wand durch entsprechende Wahl des Düsenwinlcels und der Düsenlage im unteren Viertel des Brennraumes liegt, und ein kugelförmiger Brennraum Verwendung findet, dadurch gekennzeichnet, daß die eingeschnürte Uberströmöffnung (4) einen ovalförmigen Querschnitt und in Umfangsrlchtung eine unterschiedliche Wandhöhe aufweist, daß, in Draufsicht auf den Brennraum gesehen, der größere Durchmesser (d.) des Halses (4) durch die Brennraummitte in Richtung zum Strahlabspritzpunkt (15) der Einspritzdüse (7) verläuft, wobei die Entfernung (1) des Strahlabspritzpunktes (15) zur Brennraummitte das 0,50- bis 0,55-fache des Brennraumdurchmessers (D) beträgt, der Winkel (^7) zwischen 15 und 40° und der Winkel (j~) zwischen 4o und 50° liegt, und daß das. DurchmeeserverhÄltnis (d./d«) 1,10 bis 1,15 beträgt.
    22.8758
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