DE688655C

DE688655C - Injection internal combustion engine with free-flying secondary piston

Info

Publication number: DE688655C
Application number: DE1936D0072988
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Herwig Kress
Original assignee: Deutsche Versuchsanstalt fuer Luftfahrt eV
Current assignee: Deutsche Versuchsanstalt fuer Luftfahrt eV
Priority date: 1936-06-27
Filing date: 1936-06-27
Publication date: 1940-02-27

Description

Einspritz-Brennkraftmaschine mit frei fliegendem Nebenkolben Um die Anforderungen zu erfüllen, die an kompressorlose Dieselmaschinen in betrieblicher und thermodynamischer Hinsicht gestellt werden, sind eine Reihe von Maßnahmen bekanntgeworden, die sich hauptsächlich auf die Verbesserung der Gerizischbildung und die Herabsetzung der Zylinderhöchstdrücke bei gleichzeitig möglichst geringen Drucksteigerungsgeschwindigkeiten beziehen.Injection internal combustion engine with free-flying secondary piston To meet the requirements of compressorless diesel engines in operational and thermodynamically, a number of measures have become known, which mainly focuses on the improvement of Gerizischbildung and the degradation the maximum cylinder pressures with the lowest possible pressure increase speeds relate.

Die kompressorlose Dieselmaschine mit unmittelbarer Einspritzung verhält sich bei nicht zu hohen Drehzahlen thermodynamisch sehr günstig; bei höheren Drehzahlen wird jedoch die Gemischbildung immer schlechter, und der Kraftstoffverbrauch steigt dementsprechend an. Außerdem sind bei unmittelbarer Einspritzung die Verbrennungshöchstdrücke im Zylinder sehr groß, und der durch die Verbrennung hervorgerufene Druckanstieg im Zylinder ist sehr steil. Um die genannten Nachteile der Motoren mit unmittelbarer Einspritzung zu vermeiden, sind verschiedene Verfahren bekanntgeworden, bei denen durch Teilung des Brennraumes eine Verbesserung der Gemischbildung und gleichzeitig eine Dämpfung des Druckanstiegs im Hauptbrennraum angestrebt wird. Durch die Teilung des Brennraumes in bisher bekannter Weise wird das motorische Arbeitsverfahren jedoch sehr empfindlich gegen Veränderungen der Betriebsdrehzahl oder der Zustandsgrößen der Ladeluft, z. B. im Höhenflug. Außerdem wird eine ausreichende Spülung des Zylinders, wie sie z. B. der Zweitaktbetrieb erfordert, sehr erschwert. Überdies treten bei den bei Teilung des Brennraumes vorhandenen Drosselstellen erhebliche Wirbelverluste auf, die nur zum Teil zu einer Zerstäubung des Kraftstoffes beitragen, da die Umfüllung der Luftladung in den Teilbrennraum bereits bei Beginn der Einspritzung nahezu beendet ist. -Die vorliegende Erfindung bezweckt durch Anwendung eines Hilfskolbens in einem Teilbrennraum die Verbindung der Vorteile der Motoren mit direkter Einspritzung (ungeteilter Brennraum während der Spülperiode, rasche und vollkommene Beendigung der Verbrennung) mit den Vorteilen der Motoren mit geteiltem Brennraum (gute Gemischbildung, weicher Gang, geringe Höchstdrücke). Darüber hinaus soll eine Erhöhung der Schnellläufigkeit ermöglicht und insbesondere den Erfordernissen des Höhenflugs durch selbsttätige Veränderung des Verdichtungsverhältnisses Rechnung ,getragen werden.The compressorless diesel engine with direct injection behaves is thermodynamically very favorable when the engine speed is not too high; at higher speeds However, the mixture formation becomes worse and worse and the fuel consumption increases accordingly. In addition, the maximum combustion pressures are in the case of direct injection very large in the cylinder, and the pressure increase caused by the combustion in the cylinder is very steep. To the mentioned disadvantages of the engines with immediate To avoid injection, various methods have become known in which by dividing the combustion chamber an improvement of the mixture formation and at the same time the aim is to dampen the pressure increase in the main combustion chamber. Through the division of the combustion chamber in a previously known manner, however, the motorized working method very sensitive to changes in the operating speed or the state variables the charge air, e.g. B. in flight. In addition, sufficient rinsing of the cylinder, how they z. B. the two-stroke operation requires, very difficult. Moreover, join the throttling points present when the combustion chamber is divided, causing considerable vortex losses which only partially contribute to the atomization of the fuel, as the decanting the air charge in the partial combustion chamber almost ended at the beginning of the injection is. -The present invention aims by using an auxiliary piston in one Partial combustion chamber combining the advantages of engines with direct injection (Undivided combustion chamber during the flushing period, quick and complete termination combustion) with the advantages of engines with a split combustion chamber (good mixture formation, soft gait, low maximum pressures). In addition, the aim is to increase the speed enables and in particular the requirements of high-altitude flight through automatic Changes in the compression ratio must be taken into account.

Während sich die bisher bekanntgewordenen motorischen Arbeitsverfahren mit einem Hilfskolben darauf beschränken, durch- Freigabe eines Teils des Brennraumes z. B. den Höchstdruck zu begrenzen oder die Diagrammgestaltung zu beeinflussen, sieht der Erfindungsgegenstand die Anwendung eines frei beweglichen Hilfskolbens m einem tatsächlichen Teilbrennraum vor.While the previously known motorized work processes with a Limit auxiliary piston to release one Part of the combustion chamber z. B. to limit the maximum pressure or the diagram design To influence, the subject invention provides the application of a freely movable Auxiliary piston m in front of an actual partial combustion chamber.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Abb. t einen Motor gemäß der Erfindung im Schnitt, wobei sich der Arbeitskolben .A im unteren Totpunkt des Arbeitszylinders Z befindet, Abb. z denselben Motor zu dem Zeitpunkt, in dem sich der Arbeitskolben A im oberen Totpunkt des Arbeitszylinders Z befindet.In the drawing, an embodiment of the invention is shown, namely Fig. t shows a motor according to the invention in section, with the Working piston .A is in the bottom dead center of working cylinder Z, Fig. Z the same Engine at the time when the working piston A is in the top dead center of the working cylinder Z is located.

Der Verdichtungsraum der Brennkraftmaschine ist in an sich bekannter Weise unterteilt und besteht aus dem mit dem Hubraum ummittelbar zusammenhängenden Teil des Zylinderraumes a und einem durch einen Drosselquerschnitt b von diesem Teilraum abgeschnürten Teilbrennraum e, der als Zylinder d ausgebildet ist und in dem sich der Nebenkolben e befindet.The compression chamber of the internal combustion engine is known per se Way and consists of the directly related to the displacement Part of the cylinder space a and one through a throttle cross section b of this Partial constricted partial combustion chamber e, which is designed as a cylinder d and in which is the secondary piston e.

Auf die eine Seite des Nebenkolbens wirken die in bzw. unmittelbar hinter der Drosselstelle vorhandenen Drücke, auf die andere Seite- wirkt eine Federkraft. Da sich der Nebenkolben in -Richtung seiner Achse längs einer Strecke frei bewegen" kann, ist seine jeweilige Stellung durch die Größe der auf ihn wirkenden Kräfte gegeben.- Als Feder kann grundsätzlich jede bekannte Ausführungsform verwendet werden. Im Ausführungsbeispiel dient eine im allgemeinen während eines Arbeitsspieles konstante Gasmenge/ als Feder.They act in or directly on one side of the secondary piston behind the throttle point existing pressures, on the other side a spring force acts. Since the secondary piston can move freely along a distance in the direction of its axis " can, is its position by the size of the forces acting on it In principle, any known embodiment can be used as the spring. In the exemplary embodiment, a function that is generally constant during a working cycle is used Amount of gas / as a spring.

Der Nebenkolben- ist so ausgebildet, daß eine stoßfreie Umkehr der Bewegungsrichtung des Nebenkolbens ermöglicht wird. Auf der die federnde Gasmenge einschließenden Seite erhält der Nebenkolben in an sich bekannter Weise die gleiche oder annähernd ,die gleiche Form der Oberfläche wie die ihm gegenüberliegende feste Stirnwand. Auf der nach der Drosselstelle b gerichteten Seite kann der Nebenkolben einen zentrischen zylindrischen Ansatz von bestimmter Länge besitzen, dessen Durchmesser etwas kleiner als der der Drosselstelle bzw. der Zylinderlauffläche ist. Dadurch wird kurz vor dem Ende der Bewegung des Nebenkolbens in Richtung auf die Drosselstelle ein ringförmiger Raum gebildet, dessen Gasinhalt durch den engen Ringspalt zwischen Nebenkolbenansatz und Nebenzylinderverengung nur verhältnismäßig langsam entweichen kann, so daß ein Gaspolster entsteht, das die Bewegung des Nebenkolbens stoßfrei bis zum Stillstand verzögert. Die gleiche Wirkung kann auch durch entsprechende Ausbildung des Nebenkolbenschaftes und der N ebenzylinderwand erreicht werden. Durch diese Maßnahmen werden Geräuschlosigkeit und Betriebssicherheit d°s Verfahrens gewährleistet.The slave piston is designed so that a smooth reversal of the Direction of movement of the secondary piston is made possible. On which the resilient amount of gas enclosing side, the secondary piston receives the same in a manner known per se or approximately the same shape of the surface as the solid opposite it Front wall. On the side facing the throttle point b, the secondary piston can have a central cylindrical extension of a certain length, the diameter of which is slightly smaller than that of the throttle point or the cylinder surface. Through this is just before the end of the movement of the slave piston in the direction of the throttle point an annular space is formed, the gas content of which passes through the narrow annular gap between The secondary piston attachment and secondary cylinder constriction only escape relatively slowly can, so that a gas cushion is created that jerk-free the movement of the secondary piston delayed to a standstill. The same effect can also be achieved through appropriate Formation of the secondary piston shaft and the Nebenylinderwand can be achieved. By these measures ensure that the process is silent and reliable.

Da die eingeschlossene federnde Gasmenge durch Sperrflüssigkeit, die zwischen Nebenkolben und Nebenzylinder geleitet wird, praktisch konstant gehalten werden kann, können die für den Gasersatz vorzusehenden Hilfseinrichtupgen kleine Abmessungen erhalten. Verwendet man als Sperrflüssigkeit Schmieröl, so wird damit gleichzeitig die Schmierung des Nebenkolbens sichergestellt. H ist die Sperrölzuleitung,, i die Leckölableitung (unter Druck) und h die Entlüftung, die im normalen Betrieb geschlossen ist. L ist die Druckluftzuführung.Since the enclosed resilient amount of gas by barrier liquid, the is passed between the secondary piston and secondary cylinder, kept practically constant the auxiliary equipment to be provided for the gas replacement can be small Dimensions received. If lubricating oil is used as the barrier fluid, it becomes at the same time the lubrication of the secondary piston is ensured. H is the barrier oil supply line, i the leakage oil discharge (under pressure) and h the venting, which is used in normal operation closed is. L is the compressed air supply.

Mit Hilfe des Ventils g wird die Zuführung des als Feder dienenden Gases und die Veränderung der Federcharakteristik ermöglicht.With the help of the valve g is the supply of the serving as a spring Gases and the change of the spring characteristics allows.

Der Verlauf eines Arbeitsspieles wird etwa folgendermaßen vor sich gehen:' Bei Beginn des Verdichtungshubes befindet sich der Nebenkolben e in der aus Abb. i ersichtlichen Ruhestellung. Im Verlaufe des Verdichtungshubes steigt der Druck im Arbeitszylinder Z immer mehr an und wird schließlich größer als die eingestellte Vorspannung der Feder. Von diesem Zeitpunkt an wird der Nebenkolben unter der Wirkung dieses Druckanstiegs im ZylinderZ und damit in bzw. hinter der Drosselstelle entgegen der Federkraft aus seiner bisherigen Stellungverdrängt. Damit beginnt sich die Luftladung aus dem Arbeitszylinder in den Nebenzylinder d umzufüllen. Zweckmäßigerweise wird die Vorspannung der Feder/ so groß gewählt, daß diese Umfüllung zeitlich etwas vor der Einspritzung des Kraftstoffes einsetzt. Der Kraftstoffstrahl ist auf die Drosselstelle b gerichtet, so daß der Kraftstoff zusammen mit der sich in rascher Bewegung befindlichen Frischluft durch die Drosselstelle b hindurchströmt oder in oder unmittelbar hinter der Drosselstelle mit der in den Nebenzylinder einströmenden Luft zusammengeführt wird. Dadurch wird eine vorzügliche Mischung von Kraftstoff und Luft erreicht. Für die Verbrennung sind somit an sich schon gute Vorbedingungen geschaffen, die indes noch besser sein werden, wenn das Ende der Umfüllung der Luftladung zeitlich ungefähr mit dem Ende der Kraftstoffeinspritzung zusammenfällt. Durch diese Maßnahmen gelingt es, den Kraftstoff gleichmäßiger als bei den bisher bekannten Verfahren ohne Lufteinblasung auf die Luftladung zu verteilen und damit die Luftüberschußzahl herabzusetzen. Außerdem können die auftretenden Drosselverluste sehr niedrig gehalten werden, weil die gesamte für die Umfüllung erforderliche Arbeit tatsächlich der Zerstäubung des Kraftstoffes zugute kommt.The course of a work cycle is roughly as follows go: 'At the beginning of the compression stroke, the secondary piston e is in the rest position shown in Fig. i. In the course of the compression stroke increases the pressure in the working cylinder Z increases and is finally greater than that adjusted preload of the spring. From this point on, the secondary piston becomes under the effect of this pressure increase in the cylinder Z and thus in or behind the Throttle point displaced from its previous position against the spring force. In order to the air charge begins to fill up from the working cylinder into the secondary cylinder d. Appropriately, the bias of the spring / is chosen so large that this transferring begins somewhat before the fuel is injected. The fuel jet is directed to the throttle point b, so that the fuel together with the fresh air in rapid motion flows through the throttle point b or in or immediately behind the throttle point with the one flowing into the secondary cylinder Air is merged. This creates an excellent mix of fuel and air reached. For the combustion, therefore, are already good preconditions in and of themselves created, which, however, will be even better when the end of the transfer of the air charge coincides approximately in time with the end of the fuel injection. Through this Measures succeed in the fuel more evenly than with the previously known Method to distribute the air charge without air injection and thus the excess air figure to belittle. In addition, the throttling losses that occur very be kept low because all of the work required for decanting actually benefits the atomization of the fuel.

Im Verlaufe des Expansionshubes fällt der Druck der Brenngase im Teilbrennraum c, und die Federkraft kann den Nebenkolben e in die bei Beginn des Verdichtungshubes eingenommene Ruhestellung zurückbewegen. Dadurch wird die in der Feder aufgespeicherte Energie wieder an die Brenngase abgegeben. Infolge der rückläufigen Neb.enkolbenbewegung findet eine nochmalige, verhältnismäßig frühzeitige, vollständige Durchwirbelung der Brenngase statt, wodurch alle etwa noch vorhandenen Kraftstoffreste auch bei kleiner Luftüberschußzahl verbrannt werden. Die Verbrennung wird somit früher als z. B. bei Vorkammermaschinen beendet sein, so daß der Kraftstoffverbrauch gegenüber diesem Verfahren verbessert wird.In the course of the expansion stroke, the pressure of the combustion gases in the partial combustion chamber falls c, and the spring force can e into the secondary piston at the beginning of the compression stroke move back the rest position. This causes the stored in the spring Energy released back to the fuel gases. As a result of the declining secondary piston movement finds a repeated, relatively early, complete vortex of the fuel gases instead, which means that any fuel residues that may still be present also occur small excess air number can be burned. The combustion is thus earlier than z. B. be finished with pre-chamber machines, so that the fuel consumption compared this procedure is improved.

Eine wirksame Durchführung des Zweitaktverfahrens ist in gleicher Weise wie bei den Motoren mit ungeteiltem Brennraum möglich, da das Abschalten des Teilbrennraumes c noch vor dem Beginn der Spülperiode beendet ist.An effective implementation of the two-stroke process is the same In the same way as with engines with undivided combustion chambers, since switching off the Partial combustion chamber c has ended before the start of the flushing period.

Für die Zerstäubung und Verbrennung des Kraftstoffes ergeben sich somit alle Vorteile der Motoren mit geteiltem Brennraum, während die Spülung des Zylinderraumes ebenso leicht durchgeführt werden kann wie bei den :Motoren mit ungeteiltem Brennraum.For the atomization and combustion of the fuel result thus all the advantages of engines with a split combustion chamber, while the purging of the Cylinder space can be carried out just as easily as with the: Motors with undivided Combustion chamber.

Die Schnelläufigkeit läßt sich gegenüber bisherigen Arbeitsverfahren steigern, weil einerseits der Kraftstoff sehr rasch und gut mit der Frischluft vermischt wird und somit unter günstigen Bedingungen verbrennt, andererseits infolge der Eigenart des Verfahrens dafür gesorgt ist, daß die frei gewordene Energie für genug aus dem Teilbrennraum c herauskommt und an das Triebwerk abgegeben wird.The speed can be compared to previous working methods because, on the one hand, the fuel mixes very quickly and well with the fresh air is and thus burns under favorable conditions, on the other hand due to the peculiarity of the procedure ensures that the energy released is sufficient for the Partial combustion chamber c comes out and is delivered to the engine.

Für den Höhenflug ist das Verfahren besonders geeignet, weil sich bei ein und derselben Federeinstellung automatisch um so höhere Verdichtungsverhältnisse ergeben, je kleiner der Druck bei Beginn des Verdichtungshubes ist. Durch den Erfindungsgegenstand werden somit beim Höhenflug die absoluten Verdichtungsenddrücke automatisch höher als bei den bisher bekannten Yotoren unter sonst gleichen äußeren Bedingungen, wodurch die Zündverhältnisse wesentlich verbessert werden. Bei überlädung wird das Verdichtungsverhältnis ebenfalls selbsttätig, d. h. ohne Veränderung der Federeinstellung, herabgesetzt, so daß die Höchstdrücke im Motor auch bei hoher Überladung nur wenig gegenüber dem Betrieb ohne Überladung gesteigert werden.The method is particularly suitable for flying high because with one and the same spring setting automatically the higher compression ratios the lower the pressure at the beginning of the compression stroke. By the subject matter of the invention the absolute final compression pressures automatically become higher when flying high than with the previously known Yotoren under otherwise identical external conditions, whereby the ignition conditions are significantly improved. When overloaded, the compression ratio also automatic, d. H. without changing the spring setting, reduced, so that the maximum pressures in the engine only slightly compared to the Operation can be increased without overloading.

Das Verdichtungsverhältnis kann im Bedarfsfall über die selbsttätige Anpassung an den jeweiligen Betriebszustand hinaus durch, Veränderung der Federeinstellung in weiten Grenzen verändert werden. Diese Regelmöglichkeit ist deshalb von besonderer Bedeutung, weil sie in einfacher Weise durch Fernsteuerung erfolgen kann; insbesondere lassen sich für die Inbetriebnahme und den Leerlauf des Motors auf diese Weise jederzeit günstige Verhältnisse schaffen.If necessary, the compression ratio can be adjusted via the automatic Adaptation to the respective operating status by changing the spring setting can be changed within wide limits. This control option is therefore special Importance because it can be easily done by remote control; in particular can be used for commissioning and idling the engine at any time create favorable conditions.

Das Ausführungsbeispiel sieht die Anwendung in einem Zweitaktmotor vor; für den Viertaktbetrieb ist das Verfahren gleichfalls geeignet.The exemplary embodiment sees the application in a two-stroke engine before; the method is also suitable for four-stroke operation.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Injection internal combustion engine with one through one Throttle cross-section of the part of the that is directly related to the displacement Combustion chamber constricted partial combustion chamber, characterized in that this partial combustion chamber is designed as a cylinder and there is a secondary piston in it, the movement of which on the one hand directly through the pressure of the combustion gases in or behind the throttle point, on the other hand is caused by a spring force, the magnitude of which is within a Working cycle exclusively from the respective, through the pressure curve of the combustion gases conditional position of the secondary piston depends, the secondary piston in the rest of the direction its axis is freely movable along a distance. a. Internal combustion engine after Claim i, characterized in that the secondary piston head is located after the throttle point facing side has a central, cylindrical attachment of a certain length, whose diameter is slightly smaller than that of a corresponding narrowing of the secondary cylinder is.