DE3147015A1 - Luftverdichtende, direkteinspritzende brennkraftmaschine - Google Patents

Luftverdichtende, direkteinspritzende brennkraftmaschine

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DE3147015A1 DE19813147015 DE3147015A DE3147015A1 DE 3147015 A1 DE3147015 A1 DE 3147015A1 DE 19813147015 DE19813147015 DE 19813147015 DE 3147015 A DE3147015 A DE 3147015A DE 3147015 A1 DE3147015 A1 DE 3147015A1
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Description

üb/kr
M.A.N. Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg Aktiengesellschaft
Nürnberg, 24.November 1981
Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine
Die Erfindung bezieht sich auf eine luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit Selbstoder Fremdzündung, welche im Kolben einen rotationskörperförmigen Brennraum aufweist, bei der der einströmenden. Verbrennungsluft durch bekannte Mittel eine Drehbewegung um die Brennraumlängsachse erteilt wird und 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 Kraftstoff!Ims möglich ist.
Derartige Brennkraftmaschinen, die nach dem Verfahren der Kraftstoff-Wandauftragung arbeiten, sind bereits hinreichend bekannt. Sie haben eine Reihe von Vorteilen, wobei insbesondere die gute Kraftstoffausnutzung, die geringe Abgastrübung und die Gangruhe zu erwähnen sind. Auch wurde festgestellt, daß sich die Abgasqualität weiter verbessern läßt (Verminderung der Weiß- und Blaurauchbildung und der unverbrannten Kohlenwasserstoffe), wenn man die im Leerlauf und im unteren Drehzahl- und Lastbereich erforderliche,
geringe Einspritzmenge nahezu ausschließlich unmittelbar mit der Verbrennungsluft vermischt, da in diesen Bereichen die für eine ausreichend schnelle Verdampfung des filmartig aufgebrachten Kraftstoffes erforderliche Temperatur der Brennraumwand nicht vorhanden ist, wodurch eine unvollkommene Gemischaufbereitung und damit Verbrennung stattfindet. Im oberen Drehzahl- und Lastbereich hingegen hat sich die Kraftstoff-Wandauftragung sehr gut bewährt.
Es hat sich nun gezeigt, daß der Kraftstoff, der bei Leerlauf und im unteren Drehzahl- und Lastbereich mit der Luft vermischt wird, gleich nachdem er die Düsenbohrung verlassen hat, eine mit geringer Durchschlagskraft versehene Wolke bildet, die leicht von der rotierenden Luft verweht wird. Dabei kann der Kraftstoff gegen die Brennraumwandyin den Zwischenraum Kolbenboden /Zylinderkopf oder, bei eingeschnürten Brennräumen, gegen die Schnaupenwand getragen werden. Das Auftragen auf diese kälteren Stellen verursacht wiederum eine Verschlechterung der Abgaswerte, insbesondere der unverbrannten Kohlenwasserstoffe.
Auch bei hoher Drehzahl und Last wird der mit großer Durchschlagskraft ausgebildete Hauptstrahl am Anfang und am Ende der Einspritzung von kleinen Kraftstoffwolken begleitet. Noch stärker als bei niedriger Drehzahl werden diese Kraftstoffwolken von derh nun schneller rotierenden Gas abgelenkt und vorwiegend in die Räume zwischen Zylinderkopf und Kolbenboden getragen. Außerdem strömt das Gas unmittelbar nach OT mit hoher Geschwindigkeit vom Brennraum in den sich schnell vergrößernden Spalt zwischen den Zylinderkopf und den Kolbenboden und reißt bevorzugt die Kraftstoffwolken und -Tröpfchen, die gegen Ende der Einspritzung
entstehen, mit. Der dorthin gelangte Kraftstoff wird somit dem eigentlichen Verbrennungsvorgang entzogen, wird von der sich im Brennraum ausbreitenden Flammenfront nicht erfaßt und verbrennt schlagartig durch Selbstzündung. Dabei haben diese Kraftstoffwolken starke erosive Auswirkungen auf die sehr nahen Oberflächen des Kolbens und des Zylinderkopfes.
Hier setzt nun die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, bei einer Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Art die durch die Kraftstoffablenkungen entstehenden Erosionen am Kolbenboden und Zylinderkopf zu vermeiden bzw, die Abgasemission hinsichtlich unverbrannter Kohlenwasserstoffe zu verbessern.
Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Spritzbohrung der Einspritzdüse im oberen Totpunkt des Kolbens unter dem Kolbenboden liegt und in den Brennraum eingetaucht ist und der Hals der Einspritzdüse mit Spiel von einer längsgeschlitzten, stirnseitig offenen Hülse umgeben ist, welche über die Spritzbohrung vorsteht.
Durch diese Merkmale wird das angestrebte Ziel auf einfache Weise voll erreicht. Das Eintauchen der Spritzbohrung der Einspritzdüse in den Brennraum während des Einspritzvorganges verhindert, daß Kraftstoff zwischen Kolbenboden und Zylinderkopf gelangen kann.Der von der rotierenden Luft verwehte Kraftstoff wird bevorzugt an der unteren, vorstehenden Hülsenwandung niedergeschlagen, und da dieser Wandungsbereich sehr heiß sein wird, erfolgt dort eine schnelle Verdampfung des Kraftstoffes. Zudem schützt die Hülse die Einspritzdüse vor zu starken Erwärmungen, wobei Verkokungserscheinungen in der Düsenbohrung, die sich auf Grund:des tieferen Eintauchens der Einspritzdüse
-S-
in den Brennraum ergeben wurden, absolut vermieden werden. Auch tritt kein "/erziehen der Einspritzdüse auf, da durch die Hülse wegen des Spiels zum Düsenkörper zu starke Temperaturunterschiede in den oberen bzw. unteren Bereichen der Einspritzdüse nicht entstehen können. Die Hülse dient sor.it neben der Punktion als Auffangmittel für verwehten Kraftstoff zur Verbesserung der Gemischaufbereitung sowie als Wärmeschutz für die Einspritzdüse. Der Längsschlitz in der Hülse sorgt dabei für einen spannungsfreien guten Kontakt der Hülse mit dem gekühlten Zylinderkopf, auch bei asymmetrischer Temperaturverteilung in der Hülse. Dadurch wird verhindert, daß Risse und Brüche entstehen, weder in der Hülse selbst noch im Zylinderkopf. Der vorliegende Zwischenraum zwischen der Ein~ spritzdüse und der Hülse (Spiel) wird mit der Zeit durch Ruß- und Koksablagerungen gefüllt. Diese Ablagerungen wirken isolierend und bilden hiermit einen weiteren Wärmeschutz.
Zwar ist es bereits^bekannt, als Wärmeschutz zylindrische Hülsen zu verwenden, die den Düsenschaft umhüllen und im Zylinderkopf festgehalten bzw. am Düsenhalter befestigt werden, wobei die Hülsen ganz oder teilweise mit Preßsitz am zylindrischen Hals des Düsenvorsatzes anliegen (vgl. DE-PS 873 Oll). Bei der bekannten Einrichtung handelt es sich um eine direkt gekühlte Einspritzdüse, welche zentral über dem Brennraum angeordnet ist. Der Nachteil dieser bekannten Hülsen ist der, daß durch die Berührung der Hülsen mit den jeweiligen Düsenkörpern die Wärme weiterhin in die Düsenkörper geleitet wird, zumindest in die oberen Bereiche. Ebenfalls können im Betrieb in diesen Bereichen Spannungen in der Hülse entstehen, was zu Rissen in der Hülse führen kann. Nachteilig ist weiterhin der größere Durchmesser, den die Düsenbohrung
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im Zylinderkopf haben muß, damit die Düse und die Schutzhülse eingeführt und fixiert werden kann. Dies fällt bei der bekannten Einrichtung zwar weniger ins Gewicht, da - wie bereits erwähnt - hier eine direkt gekühlte Einspritzdüse, welche zentral über dem Brennraum angeordnet ist, vorliegt. Dagegen wäre der größere Durchmesser aus konstruktiven Gründen bei der vorliegenden Erfindung, bei der die Einspritzdüse außermittig in der Nähe des Brennraumöffnungsrandes schräg zur Brennraumlängsachse angeordnet ist und die Wärmeabfuhr aus dem Bereich der Einspritzdüse über die gekühlten Zylinderkopfflächen erfolgen soll, problematischer. Es ist weiter festzustellen, daß bei der bekannten Einspritzdüse die Spitze des Düsenvorsatzes in den Brennraum hineinragt. Warum dies so ist, ist der Beschreibung der DE-PS 873 011 nicht zu entnehmen. Da bei zentral angeordneten Einspritzdüsen das Problem der Kraftstoffverwehung in die Räume zwischen Zylinderkopf und Kolbenboden auf Grund der größeren Entfernung weniger aktuell ist, muß angenommen werden, daß das Eintauchen der Einspritzdüse in den Brennraum hier einem anderen Zweck dient.
Nachdem es einen Zusammenhang zwischen Abstand des Kolbens vom Zylinderkopf bei Einspritzbeginn bzw. Einspritzende und optimaler Eintauchtiefe der Einspritzdüsenmündung in den Brennraum gibt (der jeweilige Abstand des Kolbens ist vom Hub der Brennkraftmaschine abhängig), ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft, wenn die Eintauchtiefe der Spritzbohrung in den Brennraum - in vertikaler Richtung gemessen - mindestens so viel beträgt, wie der Kolbenboden am Ende der Kraftstoff-Einspritzung bei Nenndrehzahl und Vollast von der Unterkante des im oberen Totpunkt gebildeten ZylinderkopfSpaltes - entfernt ist.
22.. 8777
Das heißt, am Ende der Einspritzung kommt die Spritzbohrung der Einspritzdüse zumindest in der Höhe des Kolbenbodens zu liegen. Sie kann darunter liegen, aber nicht darüber.
Es hat sich gezeigt, daß die Vorgänge am Ende der Einspritzung im wesentlichen für die Entstehung der Kolbenbodenerosionen verantwortlich sind. Man kann also das Ende der Einspritzung bei Nenndrehzahl und Vollast
: als Maßstab nehmen, um die Eintauchtiefe der Spritz
bohrung festzulegen. Diese Position wird dann in den meisten Fällen auch optimal für die Abgasemissionen sein, auf die man besonders bei Schwachlast und bei niedriger Drehzahl achten muß. Einerseits sind dann
1Ii !;' nämlich die Spritzzeiten kürzer und Einspritzbeginn
und Einspritzende liegen näher am oberen Totpunkt, andererseits sind die Gasbewegungen (Dreh- und Ausströmbewegungen) viel kleiner, da diese etwa der Drehzahl proportional sind.
Besonders gute Ergebnisse werden mit Hülsen erzielt, die zwischen 0,5 bis 2,0 mm über die Spritzbohrung überstehen. Weiter vorstehende Hülsen würden die Rotation der Verbrennungsluft stören.
Als zweckmäßig hat sich erwiesen, wenn die Schlitzbreite der Hülse im montierten kalten Zustand 0,5 bis 2 mm beträgt und der äußere Durchmesser der Hülse im freien (nicht montierten) Zustand den 1,0-bis 1,3-fachen Wert des Durchmessers der Düsenbohrung im Zylinderkopf aufweist. Dies ermöglicht eine leichte Montage bzw. Einführung der Hülse in die Düsenbohrung, da die längsgeschlitzte Hülse sich gut elastisch verformen läßt.
Auch wird noch vorgeschlagen, im Bereich des Düsenhal-
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ters an der Hülse einen Bund vorzusehen. Dieser Bund bestimmt die Einbaulage der Hülse und verhindert ein Hineinrutschen der Hülse in den Zylinder.
Weiter ist es vorteilhaft, die Längsschlitzung (Schlitzlage) in den Bereich der Hülse zu legen, welcher ganz vom Zylinderkopf abgedeckt ist. Dadurch kann auch nicht durch den vorhandenen Spalt Kraftstoff auf die gefährdeten Bereiche auftreffen. Insbesondere wird dabei die im unteren Hü] senbereich (:.m Bereich des Zylinderkopfbodens) gebildete Zylinderkopfspitze nicht so stark durch die ungünstige thermische Verformung des aus dem Zylinderkopf herausragenden HUlsenteils beansprucht. Die Gefahr von Rissbildungen speziell an dieser Stelle bzw. ein Abbrand dieser Spitze werden hiermit vermieden.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sowie Vorteile und Merkmale der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen:
Pig. 1 einen Längsschnitt durch den unteren Teil
einer im Zylinderkopf angeordneten Einspritzdüse mit Hülse sowie durch den oberen Teil eines in einem Zylinder angeordneten Kolbens mit Brennraum im oberen Totpunkt (OT)
Pig. 2 einen Schnitt II-II durch die Einspritzdüse und die Hülse nach Fig. 1
Pig. 3 einen Längsschnitt wie in Fig. 1 mit eingezeichneter Gasbewegung nach OT und eingezeichnetem Kraftstoffstrahl mit Kraftstoffwolke
22.8777
Pig. 4 ein Diagramm über die Bewegung des Kolbens* während des Einspritzvorgangs mit Darstellung der Eintauchtiefe der Spritzbohrung (Strahlabspritzpunkt) in den Brennraum (in Vergrößerung).
Die Figuren I und 3 zeigen einen in einem Kolben 6 angeordneten, kugelförmigen Brennraum J1 der zum Zylinderkopf 5 hin einen eingeschnürten Hals aufweist, in dem ein schräg in den Brennraum 7 einmündender, als Schnaupe ausgebildeter Verbindungskanal 7a vorgesehen ist. In Verlängerung des Verbindungskanals 7a ist im Zylinderkopf 5 eine Kraftstoff-Einspritzdüse 2 angeordnet. Diese ist von einer Hülse 4- mit Spiel \6 umgeben und die Spritzbohrung 2a derselben liegt unter der Ebene des Zylinderkopfbodens 5a. Die Hülse 2J- ist stirnseitig offen und weist eine Längsschlitzung auf, wobei die Schlitzbreite s (vgl. Fig. 2) im montierten kalten Zustand 0,5 bis 2,0 beträgt. Der äußere Durchmesser der freien (nicht montierten) Hülse k kann maximal den 1,3-fachen Wert des Durchmessers d der Düsenbohrung 11 im Zylinderkopf 5 aufweisen, bevorzugt wird eine Hülse mit dem 1,1-fachen Wert verwendet. Der größere oder mindestens gleich große Durchmesser der Hülse 4 gegenüber der Düsenbohrung 11 sorgt dafür, daß die äußere Fläche der Hülse 4 satt an der Zylinderkopfwandung anliegt. Dadurch wird die in die Hülse eingeleitete Wärme gut an die gekühlte Zylinderkopfwandung abgeführt.
Wesentlich ist, daß die Hülse 4 über die Spritzbohrung 2a der Einspritzdüse 2 vorsteht. Der überstehende Teil kann zwischen 0,5 und 2,0 mm betragen. Als sehr vorteilhaft hat sich ein Überragen von 1,0 mm bewährt.
In der oberen Totpunktstellung des Kolbens 6 (Fig. 1) taucht die Einspritzbohrung 2a sowie der zylinderhufartige Teil der Hülse h- in den Brennraum 7 ein. Die
-U-
Eintauchtiefe a der Spritzbohrung 2a in den Brennraum 7 - in vertikaler Richtung gemessen - beträgt dabei mindestens so viel, wie der Kolbenboden 6a am Ende der Kraftstoff-Einspritzung - bezogen auf Nenndrehzahl und Vollast - von der Unterkante des in OT gebildeten ZylinderkopfSpaltes 5b entfernt ist.
Sofern eine noch weitere Verbesserung der Abgaswerte erwünscht ist (gilt beispielsweise für leichtere Fahrzeuge, wie Pkw's im Schwachlastbereich), ist es auch denkbar, die Spritzbohrung weiter in den Brennraum eintauchen zu lassen und die Eintauchtiefe a in Abhängigkeit von der Entfernung des Kolbens bei Einspritzbeginn bzw. einem Wert zwischen Einspritzbeginn und Einspritzende festzulegen.
In die Fig. 1 ist noch die Düsenachse I eingezeichnet, die hier mit der Spritzlochachse zusammenfällt. Dies braucht aber nicht immer der Fall zu sein. Außerdem ist der Düsenhalter mit 3 bezeichnet. Im Bereich dieses Düsenhalters weist die Hülse 4 einen Bund 4a auf. Dadurch wird die Hülse in ihrer Lage orientiert.
Die Fig. 3 zeigt die Stellung des Kolbens 6 nach dem oberen Totpunkt bzw. gegen Ende der Einspritzung. Es ist zu erkennen, daß um den eingespritzten Kraftstoff-Hauptstrahl 8 Kraftstoffnebel 9 bzw. energielose Kraftstoff-Tröpfchen vorliegen, die sich bevorzugt - bedingt durch die rotierende Luft 17 - an dem zylinderhufartigen Teil der heißen Hülsenwandung niederschlagen und dort verdampfen. Die Pfeile 15 zeigen die radiale Gasbewegung, die sich nach OT einstellt.
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Es hat sich gezeigt, daß diese radiale Gasbewegung überwiegend die Ursache für die Kolbenboden- bzw. Zylinderkopferosionen darstellt, da diese die Kraftstoff wölken bzw. -tröpfchen, die gegen Ende der Einspritzung entstehen, bevorzugt in den Spalt zwischen Zylinderkopf und Kolbenboden mitreißt. Da bei vorliegender Erfindung am Ende der Einspritzung die Einspritzbohrung 2a zumindest noch in der Ebene des Kolbenbodens 6a liegt (oder evtl. tiefer), tritt dieser Nachteil nicht auf. Dies gilt ebenso für den Einspritzbeginn vor OT, obwohl dabei in den meisten Fällen die Spritzbohrung 2a der Einspritzdüse 2 noch über dem Kolbenboden 6a liegen wird. In diesem Pail wird die mit großer Geschwindigkeit in den Brennraum einströmende Quetschströmung eine Verwehung des Kraftstoffes in die Räume zwischen Kolbenboden"und Zylinderkopf weitgehend verhindern.
Im Diagramm der Fig» 4 ist in Form einer Parabel der Kolbenweg 13 in Abhängigkeit von den Kurbelwinkelgraden aufgetragen. Im Beispiel beginnt die Kraftstoffeinspritzung bei 26° vor OT und endet bei 12° nach OT; die gesamte Einspritzdauer bei Vollast ist mit 10 bezeichnet. Auch ist zu erkennen, daß sich der Kolben am Ende der Einspritzung in einem Abstand a vom Zylinderkopfspalt 5b befindet. Dieser Abstand a entspricht der Eintauchtiefe des Strahlabspritzpunktes 2a in den Brennraum, wenn sich der Kolben im oberen Totpunkt befindet. Im Beispiel beträgt die Eintauchtiefe a etwa 1,3 mm und die Hülse 4 überragt die Einspritzbohrung 2a etwa 1 mm. Die Achse der Einspritzbohrung ist in der Fig. 4 mit 12 bezeichnet.
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Abschließend ist zu erwähnen, daß es nicht notwendig ist, durch das Vorliegen der Hülse die Durchmesserbohrung im Zylinderkopf für die Düse größer auszuführen.Es wird vielmehr der Düsenhals etwas dünner ausgeführt. Dieser Materialabbau irr. Bereich des Düsenhalses bewirkt automatisch (durch die kleinere exponierte Fläche und durch den inneren Kraftstofffluß) eine weitere Temperaturminderung an der Düse.
22.8777
Leerseite

Claims (1)

  1. "*' 3U7015
    üb/fcr
    M.A.N. Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg Aktiengesellschaft
    Nürnberg, 24.November 198I
    Patentansprüche
    IJ Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit Selbst- oder Fremdzündung, welche im Kolben einen rotationskorperformigen Brennraum aufweist, bei der der einströmenden Verbrennungsluft durch bekannte Mittel eine Drehbewegung um die Brennraumlängsachse erteilt wird und 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 Kraftstoff» films möglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spritzbohrung (2a) der Einspritzdüse (2) im oberen Totpunkt des Kolbens (6) unter dem Kolbenboden (6a) liegt und in den Brennraum (7) eingetaucht ist und der Hals der Einspritzdüse (2) mit Spiel (l6) von einer längsgeschlitzten, stirnseitig offenen Hülse (4) umgeben ist, welche über die Spritzbohrung (2a) vorsteht.
    2'. Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintauchtiefe (a) der Spritzbohrung (2a) in den Brennraum (7) - in vertikaler Richtung gemessen - mindestens so viel beträgt, wie der Kolben-
    22.8777
    boden (2a) am Ende der Kraftstoff-Einspritzung bei Nenndrehzahl und Vollast von der Unterkante des im oberen Totpunkt gebildeten Zylinderkopfspaltes (5b) entfernt ist.
    Z>. Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (4) zwischen 0,5 bis 2,0 mm vorsteht.
    4. Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzbreite (s) der Hülse (4) im montierten kalten Zustand 0,5 bis 2,0 mm beträgt.
    5. Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Durchmesser der geschlitzten Hülse (4) im freien (nicht montierten) Zustand den 1,0 bis 1,3-fachen Wert des Durchmessers (d) der Düsenbohrung (11) im Zylinderkopf (5) aufweist.
    6. Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (4) im Bereich des Düsenhalters (j5) einen Bund (4a) aufweist.
    7. Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch I oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsschlitzung (Schlitzlage) in dem Bereich der Hülse (4) liegt, welcher ganz vom Zylinderkopf (5) abgedeckt ist.
    22.8777
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