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Brennkraftmaschine mit luftloser Brennstoffeinspritzung Die vorliegende
Erfindung betrifft Verbrennungskraftmaschinen für flüssige Brennstoffe, die in den
Zylinder eingespritzt und dort durch die verdichtete Verbrennungsluft zur Selbstzündung
gebracht werden. Bekanntlich ist es bei solchen Verbrennungskraftmaschinen wichtig,
daß der eingespritzte Brennstoff im Verbrennungsraum möglichst gleichmäßig verteilt
wird. Es wird dies bei bekannten Anordnungen entweder durch Anwendung von Mehrlochdüsen
oder dadurch erreicht, -daß der Brennstoff in einen Vorraum gespritzt wird, aus
welchem beim Eintreten der Zündung die brennenden Gemischteile mit den größtenteils
unverbrannten in den Hauptverbrennungsraum geblasen und in diesem verteilt werden.
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Bei der Anordnung gemäß der Erfindung wird die Verteilung des Brennstoffes
dadurch erreicht, daß dieser durch einen an die Spritzöffnung der Düse sich anschließenden
Vorraum, in welchem keine Zündung stattfindet, und durch einen gekühlten, als Prallkörper
dienenden gelochten Brennstoffverteilungskörper hindurch in den Verbrennungsraum
gespritzt wird, wobei der kegelförmig ausgebildete Kern des Verteilungskörpers,
welcher von den Brennstoffstrahlen unter einem spitzen Winkel getroffen wird, diese
in einen Kegel von etwas größerem spitzen Winkel tunbilden hilft, der den in der
Strahlrichtung liegenden, von zwei Kegelmänteln an der Kolbenstirnfläche und an
der Innenwandung des äußeren Zylinderendes gebildeten Verbrennungsraum durchdringt.
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Es sind =Anordnungen bekannt, bei denen der Brennstoff in eine beheizte
- bei höher verdichteten Motoren lediglich ungekühlte -Vorkammer gespritzt wird,
wo er verdampft und sich bei seinem Eindringen in den Verbrennungsraum entzündet.
Bei solchen Anordnungen ist eine Einschnürung zwischen Düsenvorraum und Verbrennungsraum,
unter Umständen eine zweite Einschnürung zwischen Ventilkammer und Arbeitszylinder
vorgesehen. Hierbei ergibt sich der Nachteil, daß die Verteilung des Brennstoffes
iri dem unterteilten Verbrennungsraum sehr ungleichmäßig ist, da besondere Einrichtungen
zur Brennstoffverteilung oder Herbeiführung einer die Vermischung fördernden Strömung
fehlen.
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Es ist weiter bekannt, zur Beseitigung dieses Nachteils zwischen Vorkammer
und Verbrennungsraum Einsätze mit Bohrungen anzuordnen, deren Querschnitt verhältnismäßig
klein ist, so daß der Brennstoff, der zu seinem größten Teil annähernd senkrecht
auf die zwischen denBohrungen des Einsatzes stehenbleibenden Flächen auftrifft,
bei seinem Aufprallen auf diese Flächen zerstäubt und gleichzeitig, da die Flächen
infolge ihrer Anordnung und geringen Wärmeableitung sehr heiß werden, in der Vorkammer
entzündet
wird, wodurch ein Überdruck in der Vorkammer entsteht,
der eine kräftige Strömung in den Hauptverbrennungsraum zur Folge hat. Es ist auch
bekannt, bei solchen Anordnungen die Bohrungen in dem Einsatz zwischen Vorkammer
und Verbrennungsraum verhältnismäßig lang auszuführen und nach der Brennstoffdüse
hin zu erweitern, so daß die in die Bohrungen gelangenden Brennstoffteilchen während
der Einspritzung vor Totpunkt von der aus dem Zylinder in die Kammer strömenden
verdichteten Luft erfaßt und in die Kammer zurückgerissen werden, wo sie sich dann
entzünden.
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Bei der Anordnung gemäß der Erfindung sind die Prallflächen so angeordnet,
daß sie von den Brennstoffstrahlen unter einem spitzen Winkel getroffen werden und
die Strahlen daher mir eine Ablenkung erfahren, ohne aufgelöst zu werden. Ferner
wird durch Anordnung von Stegen oder Rippen zwischen dem von den Strahlen getroffenen
kegelförmigen Kern und dem ringförmigen, gekühlten, äußeren Teil des Verteilungskörpers
erreicht, daß die Temperatur des Kerns so niedrig bleibt, daß eine Zündung des Brennstoffes
im Vorraum nicht eintritt, sondern nur eine Erwärmung des Brennstoffes, der infolge
des Zündverzuges und der ihm erteilten Geschwindigkeit bis in den Verbrennungsraum
gelangt, ehe er sich entzündet.
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Es ist bekannt, bei Spritzventilen vor der Spritzöffnung einen Vorraum
anzuordnen, von welchem schräge oder radiale Bohrungen zii einer senkrecht zur Düsenachse
liegenden, ringförmigen Prallfläche führen; an welche sich ein Ringspalt zur Bildung
eines Brennstoffächers im Verbrennungsraum anschließt. Hier ergibt sich jedoch die
Notwendigkeit, den Spritzkopf in den Verbrennungsraum hineinragen zu lassen, so
daß der Spritzkopf von allen Seiten von den brennenden Gasen umgeben ist und seine
Temperaturen so hoch werden, daß er nur eine geringe Lebensdauer besitzt.
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Es ist weiter bekannt, den Brennstoffstrahl durch Anwendung einer
Mehrlochdüse oder mehrerer in denselben Verbrennungsraum mündenden Einlochdüsen
in Einzelstrahlen aufzulösen, so daß bei entsprechender Lage dieser Strahlen eine
gute Brennstoffverteilung ini Verbrennungsraum erzielt werden kann. Hierbei wird
entweder ein sich nach außen erweiternder Ringbrennrauin von keilförmigem Querschnitt
oder ein Brennraum verwendet, der durch zwischen dem kegelförmigen Zylinderkopf
und dem gleichfalls kegelförmigen Kolben ausgesparte, der Strahlform entsprechende
Räume gebildet wird. Diese Anordnungen haben gegenüber der Erfindung den Nachteil,
daß eine größere Zahl von Düsenbohrungen angewendet werden muß, um eine gute Verteilung
zu erreichen, so daß die einzelnen Bohrungen mit Rücksicht auf den hohen Einspritzdruck,
der erforderlich ist, namentlich bei kleineren Zylindereinheiten so klein ausfallen,
daß sie sich im Betriebe leicht verstopfen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der beiliegenden Zeichnung
in Abb. i bis 4 dargestellt. Darin ist a die Düsenöffnung, aus welcher der Brennstoff
in Form eines schlanken Kegels austritt, wobei er auf den kegelförmigen.Verteilungs-
oder Prallkörper mit den Kanälen oder Bohrungen i trifft. Es ist ferner c der an
seinem Ende kegelstumpfförmige Kolben, d der gleichfalls kegelförmige Zylinderkopf
und e der zwischen beiden angeordnete Verbrennungsraum, welcher in Abb. i durch
eine Ausbauchung der inneren Zylinderkopfwandung, in Abb. 3 durch eine Einschnürung
des oberen Kolbenendes gebildet wird.
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Der Vorgang der Einspritzung und Verbrennung ist folgender. Die aus
der Spritzöffnung austretenden Brennstoffteilchen werden durch den Prallkörper abgelenkt
und gelangen in den Raum e, wo unter dem Einfluß der Verdichtungswärme der Verbrennungsluft
die Zündung erfolgt. Die Verbrennung wird zunächst durch die hier vorliandene Luft
gespeist, im weiteren Verlauf, und zwar in der Nähe des Totpunktes, auch durch die
Luft, die durch den Kolben aus dem Spalt lt
verdrängt und infolge der die
Erfindung kennzeichnenden Lage und Form des Verbrennungsraumes den Brennstoffteilchen
entgegengeblasen wird.
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Wesentlich für die Erfindung sind Formgebung und Temperaturverhältnisse
des Prallkörpers. Die Neigung der den Prallkörper durchdringenden Kanäle oder Bohrungen
i ist so gewählt, daß die unter einem spitzen Winkel mit einer vom Einspritzdruck
abhängenden Geschwindigkeit auftreffenden Brennstoffteilchen von den Wänden der
Kanäle abgelenkt werden, ohne dabei einen erheblichen Verlust an Geschwindigkeit
und Durchschlagskraft zu erleiden, so daß sie weit genug in den Raum e gelangen,
wo sie die zur Verbrennung nötige Luft vorfinden. Die Berührung des Brennstoffes
mit den heißen Wänden des Prallkörpers bewirkt dabei eine Erwärmung desselben, welche
für die Vorbereitung der Zündung im Verbrennungsrauin günstig ist. Wichtig ist,
daß das zwischen den Kanälen stehenbleibende Material des Verteilungskörpers einen
Wärmefluß von seinem Kern zu seinen der Kühlung ausgesetzten Außenteilen ermöglicht,
so daß der Kern des Verteilungskörpers auch bei voller Belastung der Maschine nicht
so heiß wird,
daß er eine Zündung des Brennstoffes bewirkt, sondern
der Zündverzug bleibt so groß, daß der Brennstoff vermöge der ihm erteilten Geschwindigkeit
bis in den Zylinder gelangt, ehe er zündet.
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In Abb. 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines derartigen Prallkörpers
in der Aufsicht dargestellt. Es sind vier Bohrungen vorgesehen, die sich nach der
Düsenöffnung hin konisch erweitern, so daß bei der Herstellung dieser konischen
Bohrungen vier scharfe Kanten 1 entstehen, die be-,virken, daß der Brennstoffkegel,
welcher bei seinem Auftreffen auf den Prallkörper einen dein Kreis m entsprechenden
Durchmesser besitzt, in vier Einzelbündel aufgespalten wird. Wie in Abb. i und 3
dargestellt, bildet der Kolben in seiner oberen Totpunktlage eine Fortsetzung des
konischen Teils des Prallkörpers und unterstützt diesen in seiner Wirkung. Die schlanke
Form des Brennstoffkegels, die etwas stumpfere Kegelform des Verteilungskörpers
und die beiden angepaßte Form von Kolben- und Verbrennungsraum sind also Merkmale
der vorliegenden Erfindung, ebenso wie die Temperaturverhältnisse des Verteilungskörpers
und die Speisung der im Raum e eingeleiteten Verbrennung durch die infolge der Verdrängerwirkung
des Kolbens aus dem Raum h den Brennstoffteilchen entgegengeblasene Luft.
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Mit Rücksicht auf die Reichweite der Brennstoffstrahlen ist bei der
Erfindung die Ausdehnung des Verbrennungsraumes in der Achsenrichtuxig begrenzt,
so daß sich unter Umständen kleine Verbrennungsräume und hohe Verdichtungsdrücke
ergeben. Will man diese vermeiden, so ist es zweckmäßig, einen -zusätzlichen Verdichtungsraum
vorzusehen, der so bemessen ist, daß der Verdichtungsenddruck die gewünschte Höhe
nicht überschreitet. Gemäß der Erfindung wird dieser Zusatzverdichtungsraum durch
eine Erweiterung des Vorraumes zwischen Düsenöffnung und Verteilungskörper erreicht.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem solchen Zusatzraum ist in Abb.3
dargestellt. Hier ist o dieser Raum, welcher zweckmäßigerweise eine bauchige Form
erhält, damit große Kühlflächen geschaffen werden, die- den Wärmeübergang aus der
Kammer o in den Kühlwasserraum r ermöglichen.
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Ein in dieser Weise zwischen Düse und Verteilungskörper angeordneter
Zusatzraum hat für die vorliegende Erfindung noch den besonderen Vorteil, daß die
während des Verdichtungshubes in ihn hineingeschobene Luft beim Hingang des Kolbens
durch die Kanäle des Verteilungskörpers in den Verbrennungsraum strömt und hier
das brennende Gemisch mit frischer Luft versorgt. Zwar ist es bereits vorgeschlagen
worden, Zylinder und Kolben so auszubilden, daß zwischen beiden in der Totpunktlage
ein kleiner Spalt übrigbleibt, aus dem die Luft verdrängt und kurz vor Totpunkt
in den Verbrennungsraum hineingeschoben wird. Erfindungsgemäß ist ebenfalls ein
solcher Ringspalt vorgesehen, jedoch haben der kegelringförmige Verbrennungsraum
und der Ringspalt eine solche Lage zueinander, daß die aus dem Ringspalt verdrängte
Luft den den ebenfalls ringförmigen Brennraum durchdringenden Brennstoffstrahlen
entgegengeblasenwird. Es werden also durch die Verbindung des Ringspaltes mit der
erfindungsgemäßenFormgebung des Verbrennungsraumes und Richtung der Brennstoffstrahlen
besondere Wirkungen erreicht.
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Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, in der Nähe der Brennstoffeinspritzöffnung
Kanäle vorzusehen, die den Brennraum mit zusätzlichen Räumen verbinden, aus denen
die Luft während der Einspritzung an der Düsenöffnung vorbei in den Brennraum strömt
und dabei an der Düsenmündung hängengebliebene Brennstofftröpfchen fortbläst. Erfindungsgemäß
ist zwar ebenfalls ein Zusatzraum vorhanden, jedoch umgibt dieser den austretenden
Brennstoffstrahl. Die obenerwähnten Verbindungskanäle fehlen also, und somit kann
auch die Wirkung, daß dieDüse von Brennstoffstrahlen reingeblasen wird,nicht eintreten,
sondern die Strömung infolge der Aus-. dehnung der im Zusatzraum enthaltenen Luft
tritt erst in den Kanälen des Verteilungskörpers ein, welche also erfindungsgemäß
während der Einspritzung von Brennstoffstrahlen und Luft gemeinsam durchströmt werden.
Ferner sind Anordnungen bekannt, bei denen ein wärmeisolierter und deshalb auswechselbarer
Prallkörper in der Achse der Brennstoffdüse so angeordnet ist, daß er von den Brennstoffstrahlen
getroffen wird. Da jedoch bei diesen Anordnungen der Prallkörper im Verbrennungsraum
angeordnet ist und auch nicht die erfindungsgemäße spitzkegelige Formgebung aufweist,
kann er nicht die Wirkung haben, die durch die erfindungsgemäße Anordnung erreicht
wird und die darin besteht, daß die unter einem spitzen Winkel auftreffenden Brennstoffstrahlen
zu einem Brennstoffkegel mit vergrößertem Streuwinkel aufgespalten werden, dem die
Brennraumform dadurch angepaßt ist, daß dieser von zwei Kegelmänteln begrenzt wird.
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Ohne an dem Wesen der Erfindung etwas zu ändern, kann der Prallkörper
so ausgebildet werden, daß er an Stelle von drei oder vier Bohrungen eine größere
Zahl von Bohrungen oder auch längliche Schlitze erhält, wie dies mit Abb. 4 dargestellt
ist.