DE3612029A1

DE3612029A1 - Luftverdichtende hubkolben-brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3612029A1
Application number: DE19863612029
Authority: DE
Inventors: Franz Dipl.-Ing. Dr. Steyr Moser; Helmut Dipl.-Ing. Steyr Priesner; Franz Dipl.-Ing. Wolfern Rammer
Original assignee: Steyr Daimler Puch AG
Current assignee: Steyr Daimler Puch AG
Priority date: 1985-05-02
Filing date: 1986-04-10
Publication date: 1986-11-06
Also published as: GB2174756B; FI80759B; FI861670A; IT8620276A0; DE8609735U1; GB8610769D0; FI861670A0; FI80759C; FR2581421A1; SE463882B; SE8601990D0; IT1191770B; US4676210A; SE8601990L; ATA129885A; GB2174756A; FR2581421B1; IT8620276A1

Description

Die Erfindung betrifft eine luftverdichtende Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einer im Kolbenboden annähernd zentrisch angeordneten, rotationssymmetrischen Brennraummulde, einer Einspritzvorrichtung, die eine in die Brennraummulde direkt einspritzende Einspritzdüse mit mindestens vier Spritzlöchern aufweist, und mit einer eine Drehbewegung der in die Brennraummulde eintretenden Ladeluft erzeugenden Einlaßeinrichtung, wobei der Durchmesser der Brennraummulde mehr als 55 % des Zylinderdurchmessers beträgt.

Bei bekannten Brennkraftmaschinen erfolgt die Aufbereitung des Luft-Kraftstoffgemisches in der Brennraummulde zum überwiegenden Teil durch die rasche Drehbewegung der Ladeluft in der Mulde. Dabei erfolgt ein Auflösen der Einspritzstrahlen in mehr oder weniger kleine Tröpfchen, die sich mit der Luft vermischen. Insbesondere bei großen eingespritzten Kraftstoffmengen muß dann die Luftbewegung sehr intensiv sein, um in ausreichend kurzer Zeit eine genügende Gemischaufbereitung sicherzustellen. Aus dieeem Grunde wird der Durchmesser der Brennraummulde in der Regel verhältnismäßig klein gewählt, damit der von der Einlaßeinrichtung erzeugte Luftdrall in der Brennraummulde beibehalten oder sogar noch gesteigert wird. Diese Ausbildung hat aber den Nachteil, daß für die Gemischaufbereitung viel Energie in Form der kinetischen Energie der drehenden Luft benötigt wird und daß sich durch diese Drallerzeugung eine Beeinträchtigung der Füllung der Brennkraftmaschine mit Ladeluft ergibt, was sich, insbesondere bei frei ansaugenden Maschinen, bezüglich der möglichen Leistungsausbeute und der Rauchfreiheit nachteilig auswirkt. Darüber hinaus hat die intensive Luftströmung, die

teilweise auch während des Verbrennungsvorganges erhalten bleibt, einen verstärkten Wärmeübergang an den Kolben und damit eine höhere thermische Belastung dieses Bauteiles zur Folge. Ein weiterer Nachteil ist auch darin zu erblicken, daß die Einrichtung zur Erzeugung der Drehbewegung der Luft, beispielsweise ein Spiraleinlaßkanal, ein Tangentialkanal oder ein Schirmeinlaßventil in der Fertigung mit verhältnismäßig großen Toleranzen behaftet ist, so daß der Drall der Ladeluft von Zylinder zu Zylinder bzw. von Motor zu Motor stark variieren kann. Es kommt dadurch teilweise entweder zu zu hohen oder zu zu niedrigen Drallwerten, -wodurch die Rauchemissionen, aber auch der Kraftstoffverbrauch der Maschine verschlechtert werden können.

Es ist auch schon bekannt, luftverdichtende Hubkolben-Brennkraftmaschinen ohne Einlaßeinrichtung zur Erzeugung einer Drehbewegung der Ladeluft auszuführen. Bei dieser Bauart erfolgt die Verteilung des Kraftstoffes in der Brennraummulde über eine Vielzahl von Spritzlöchern der Einspritzdüse, wobei in bekannten Fällen bis zu zehn und mehr Spritzlöcher angeordnet werden. Zur Gemischaufbereitung dient hier also nahezu ausschließlich die besondere Ausbildung der Einspritzdüse. Dabei weisen Brennkraftmaschinen dieser Art Brennraummulden mit sehr großem Durchmesser und vergleichsweise geringer Tiefe auf und müssen mit Einspritzvorrichtungen ausgerüstet sein, die sehr hohe Drücke von etwa 1000 bis 1300 bar liefern können, damit die Gemischaufbereitung, insbesondere bei großen eingespritzten Kraftstoffmengen, in ausreichend kurzer Zeit vor sich geht. Derartige Brennkraftmaschinen haben den Nachteil, daß im allgemeinen die Geräuschentwicklung, die Emission an Stickoxiden und auch die mechanische Belastung des Kolbens groß sind. Darüber hinaus bringen die hohen Einspritzdrücke,

insbesondere bei Einspritzvorrichtungen mit Einspritzleitungen zwischen Pumpe und Düsen, erhebliche Festigkeit sprobleme mit sich, so daß die Mehrzahl solcher Maschinen nur mit jeweils zu einem Aggregat vereinten Pumpen und Düsen betrieben werden können.

Es ist auch schon eine Brennkraftmaschine bekannt (DE-OS 27 38 687), bei der der Durchmesser der Brennraummulde mehr als 5596 des Zylinderdurchmessers beträgt. Dabei handelt es sich aber um eine Brennraummulde besonders großer Tiefe, und es sollen durch stark unterschiedliche Richtungen der verschiedenen Einspritzstrahlen der Einspritzdüse unterschiedliche Auftreffhöhen in der Mulde erreicht werden, um den gesamten Brennraum möglichst gleichmäßig mit Kraftstoff zu beaufschlagen. Ein definierter Drall ist nicht vorgesehen, und es fehlen auch nähere Angaben über die Einspritzvorrichtung, zumal bloß die Verteilung des Kraftstoffes in unterschiedliche Höhenlage in der Mulde angestrebt wird. Allerdings soll mit dieser speziellen Anordnung ein stärkerer Drall zugelassen werden. Schließlich ist es bekannt (DD-PS 205 488), die Drehgeschwindigkeit der Verbrennungsluft im Brennraum zu reduzieren, wobei sie während der zur Nennleistung gehörenden Einspritzdauer 60 - 8090 des aus den Spritzlochachsen zweier benachbarter Kraftstoffstrahlen gebildeten Flächensektors überstrecken soll. Eine derartige Angabe ist aber völlig unüberprüfbar, weil es derzeit keine praktikable Methode gibt, die Drehbewegung der Luft im Brennraum bei betriebsmäßig laufendem Motor festzustellen. Außerdem ist dieser Vorschlag auf Stationärmaschinen bzw. für Brennkraftmaschinen mit stark eingeschränkten Betriebsdrehzahlbereichen abgestellt, woraus sich auch der angegebene, eng begrenzte Drehgeschwindigkeitsbereich der Verbrennungsluft ergibt. Für Fahrzeugmotoren, die einen breiten Drehzahl-

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bereich abzudecken haben, wäre dies nicht zielführend, weil es bei höheren Betriebsdrehzahlen zwangsläufig zu einer Überwehung benachbarter Kraftstoffstrahlen kommen muß, die eine Erhöhung der Rauchemissionen und des Kraftstoffverbrauches zur Folge hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, alle diese Mangel zu vermeiden und die eingangs geschilderte Brennkraftmaschine so zu verbessern, daß eine Erhöhung der Leistungsausbeute, eine Verminderung der Rauchemission und der Emission an gasförmigen Abgaskomponenten, eine Geräuschverringerung und eine Entlastung der mechanisch hoch beanspruchten Maschinenteile erzielt werden.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß die durch die Einlaßeinrichtung erzeugte Drehbewegung der Ladeluft eine nach dem Flügelradverfahren ermittelte Drallzahl von etwa 1,5 bis 2,5 aufweist und daß die Einspritzvorrichtung für eine Förderrate von 5 bis 15 mm /Grad Kurbelwinkel und im Druckraum der Einspritzdüse herrschende Einspritzdrücke von 500 bis 1000 bar ausgelegt ist.

Die erfindungsgemäße Ausbildung ist in bezug auf Abweichungen des in der Einlaßeinrichtung erzeugten Dralls der Ladeluft vom Sollwert wenig empfindlich, da die Drehbewegung der Ladeluft in der Brennraummulde verlangsamt ist. Die daraus folgernde Reduzierung der kinetischen Energie der bewegten Ladeluft ergibt sowohl einen besseren Wirkungsgrad als auch eine bessere Füllung der Brennkraftmaschine. Insgesamt wird durch die erfindungsgemäße Ausbildung das Geräuschniveau der Brennkraftmaschine gegenüber einer solchen ohne drallerzeugende Einlaßeinrichtung deutlich abgesenkt und die mechanische und thermische Belastung, vor allem des Kolbens, wesentlich verrringert. Es müssen keine extrem hohen Einspritzdrücke mit all den sich daraus ergebenden Nachteilen angewendet werden, und

die Gemischaufbereitung erfolgt auch bei großen eingespritzten Kraftstoffmengen in kurzer Zeit, so daß ein guter Maschinenwirkungsgrad und niedrige Emissionswerte auch bei hoher Belastung erzielbar sind. Durch die verhältnismäßig geringen Einspritzdrücke werden Festigkeitsprobleme an der Einspritzeinrichtung vermieden. Die hohen Förderraten und die angegebenen Einspritzdrücke ermöglichen es aber in Kombintion mit der guten Gemiechaufbereitung, sehr kurze Einspritzzeiten zu erzielen, so daß der Einspritzbeginn relativ nahe und wirkungsgradmäßig günstig zum oberen Kolbentotpunkt hin verlegt werden kann, ohne das Einspritzende in ungünstiger Weise zu verzögern. Dadurch ist es ferner möglich, die Emission an Stickoxiden, das Geräusch sowie die mechanische Maschinenbelastung zu vermindern, ohne Nachteile bezüglich anderer Abgaskomponenten, wie beispielsweise Rauch und unverbrannte Kohlenwasserstoffe, in Kauf nehmen zu müssen. Durch die kurzen Zeiten für die Einspritzung und die Gemischaufbereitung ist es möglich, weitgehend auf einen Spritzversteller zu verzichten, wodurch nicht nur eine Vereinfachung bzw. Verringerung des technischen Aufwandes, sondern auch eine Verminderung der Störanfälligkeit der Brennkraftmaschine erzielt werden.

In weiterer Ausbildung der Erfindung sind in der Einspritzdüse bei Zylinderdurchmessern bis etwa 100 mm vier, von etwa 100 bis 130 mm vier bis sechs und über etwa 130 mm fünf bis acht Spritzlöcher vorgesehen. Damit ist einer vergleichsweisen einfachen Herstellbarkeit und der Beherrschbarkeit der Einspritzdüse einerseits sowie der mit zunehmendem Zylinderdurchmesser schwieriger werdenden Gemischaufbereitung anderseits in vorteilhafter Weise Rechnung getragen.

Das Flügelradverfahren zur Ermittlung der Drallzahl, bei dem in einem Modell die Drehzahl eines in der Brennraummulde angeordneten Flügelrades bestimmt und aus dieser Drehzahl sowie aus der Kurbelwellendrehzahl nach einer vorgegebenen mathematischen Formel dann die Drehzahl errechnet wird, ist in der Österreichischen Ingenieur-Zeitschrift, Heft 9, Jg. 1965, beschrieben.

Die Zeichnung zeigt als Ausführungsbeispiel die erfindungswesentlichen Teile einer luftverdichtenden Hubkolben-Brennkraftmaschine im Schnittschema.

Im Kolbenboden 1 ist eine Brennraummulde 2 ausgespart, deren Durchmesser d etwa 70% des Kolbendurchmessers D beträgt. Die im Zylinderkopf 3 eingesetzte, unmittelbar in die Brennraummulde 2 einspritzende Einspritzdüse 4 weist mindestens vier Einspritzlöcher 5 auf. Die vom Einlaßventil 6 und einem spiralförmigen Einlaßkanal 7 gebildete Einlaßeinrichtung ist so ausgebildet, daß sie eine Drehbewegung der in die Brennraummulde 2 eintretenden Ladeluft erzeugt.

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Claims

'■ι .34 Patentansprüche :

1. Luftverdichtende Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einer im Kolbenboden annähernd zentrisch angeordneten, rotationssymmetrischen Brennraummulde, einer Einspritzvorrichtung, die eine in die Brennraummulde direkt einspritzende Einspritzdüse mit mindestens vier Spritzlöchern aufweist, und mit einer eine Drehbewegung der in die Brennraummulde eintretenden Ladeluft erzeugenden Einlaßeinrichtung, wobei der Durchmesser der Brennraummulde mehr als 55 % des Zylinderdurchmessers beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Einlaßeinrichtung (6,

7) erzeugte Drehbewegung der Ladeluft eine nach dem Flügelradverfahren ermittelte Drallzahl von etwa 1,5 bis 2,5 aufweist und daß die Einspritzvorrichtung für eine Förderrate von 5 bis 15 mm^/Grad Kurbelwinkel und im Druckraum der Einspritzdüse (4) herrschende Einspritzdrücke von 500 bis 1000 bar ausgelegt ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Einspritzdüse (4) bei Zylinderdurchmessern (D) bis etwa 100 mm vier, von 100 bis 130 mm yier bis sechs und über etwa 130 mm fünf bis acht Spritzlöcher (5) vorgesehen sind.

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