DE696077C

DE696077C - Einspritzbrennkraftmaschine mit um die Zylinderachse kreisender Luftladung

Info

Publication number: DE696077C
Application number: DE1937A0082728
Authority: DE
Inventors: Hippolyt Saurer
Original assignee: Adolph Saurer AG
Current assignee: Saurer AG
Priority date: 1937-04-23
Filing date: 1937-04-23
Publication date: 1940-09-10
Also published as: US2205493A; CH211350A; GB513906A; FR834777A

Description

Einspritzbrennkraftmaschine mit um die Zylinderachse kreisender Luftladung Die Erfindung betrifft eine Einspritzbrennkraftmaschine mit um die Zylinderachse kreisender Luftladung, bei der während des Verdichtungshubes im wesentlichen die gesamte Luftladung in einen mindestens annähernd" um die Kolbenachse angeordneten Brennraum von wulstförmiger Gestalt verdrängt wird, in dessen wirbelnden Luftinhalt gegen Ende des Verdichtungshubes und zu Beginn des Ausdehnungshubes flüssiger Brennstoff durch eine zentral zum Brennraum im Zylinderkopf angeordnete Düse eingespritzt wird.
Bei Brennkraftmaschinen mit unmittelbarer Einspritzung ist bekannt, der Luft beim Ansaugen durch besondereHilfsmittel, wie durch Verwendung von Schirmventilen, besondere Anordnungen der Luftsaugleitungen usw., eine um die Zylinderachse kreisende Bewegung zu erteilen. Die Drehgeschwindigkeit der Luft ist jedoch bei bekannten Maschinen so abgestimmt, daß die Luft während des Einspritzvorganges gerade den Weg von einem Brennstoffstrahl zum anderen zurücklegt. Hierdurch ist der Nachteil bedingt, daß sich praktisch die erwähnte Abstimmung nicht über den ganzen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine verwirklichen läßt. Auch ist bei dieser Anordnung mit in der Zylinderachse liegender Brennstoffdüse die Luftgeschwindigkeit an der Düse gleich Null, was langsames Aufheizen des Brennstoffs und damit großen Zündverzug zur Folge hat. Anderseits ist es ebenfalls bei Brennkraftmasclünen bekannt, dem Brennraum eine wulstähnliche Gestalt zu geben und diesen Raum mit einer verengten Verbindungsöffnung zum Zylinderraum zu versehen, durch welche die Luft bei der Annäherung des Kolbens an den Zylinderkopf durchtreten muß. Die durch die Verdrängerwirkung des Kolbens hervorgerufene große radiale Zuströmgeschwindigkeit der über dem Kolbenboden zur Üffnung des Brennraumes fließenden Luft erzeugt im Brennraum eine Drehung um eine Kreisringachse, die in einer senkrecht zur Zylinderachse gerichteten Ebene liegt. Diese Wirbelung wird aber nach der inneren Totlage, wenn sich der Kolben beim Ausdehnungshub wieder vorn Zylinderdeckel entfernt, plötzlich abgebremst. Bei ungefähr symmetrischer Einspritzung zur inneren Totsage findet die zweite Hälfte des eingespritzten Brennstoffes keine bestimmte Wirbelung mehr vor. D er Brennstoff wird daher zu wenig mit frischer Luft vermischt, was sich in einer unvollständigen Verbrennung äußert.
Man hat auch schon vorgeschlagen, die um die Zylinderachse kreisende Bewegung der Luft mit der durch die Verdrängerwirkung des Kolbens herbeigeführten Wirbelung der Luft um die Kreisringachse zu vereinigen. Es ist dann die Luftgeschwindigkeit an der Brennstoffdüse nicht mehr gleich Null, so daß der Brennstoff schneller aufgeheizt wird, und die Luft ist dabei auf dem ganzen Umfang des Brennraumes gleichmäßiger mit dein Brennstoff gemischt. Hingegen bleibt der Nachteil der Abbremsung der Wirbelung um die Kreisringachse nach der Kolbenumkehr bei Beginn des Ausdehnungshubes bestehen.
Es wird also bei den bekannten Maschinen nicht die Gesamtheit der folgenden Bedingungen innegehalten, die für einen ruhigen Gang des Motors und eine rauchfreie, vollständige Verbrennung erforderlich sind. Zu Beginn der Einspritzung muß die Strahlwurzel intensiv von einem heißen Luftstrom erfaßt werden, damit der Zündverzug einen möglichst kleinen Wert erreicht. Ferner muß ihrend der restlichen Einspritzung ständig w frische Luft den Brennstoffstrahlen zugeführt werden, d. h. die 'Umkehr der Bew bgungsrichtung des Kolbens darf während der Einspritzung nicht bremsend auf die Wirbelung einwirken oder sogar ihre Richtung umkehren.
Um die vorher geschilderten Anforderungen gleichzeitig vollständig zu erfüllen, ist nach der Erfindung der Durchströmquerschnitt für die in den Arbeitsraum der Maschine oder für die aus diesem Arbeitsraum in den Brennrauin strömende Luft so gestaltet, daß beim Eintritt der um die Zylinderachse kreisenden Luft in den Brennraum gegen Ende des Verdichtungshubes die Fliehkraftwirkung die durch den Kolben hervorgerufene Verdrängerwirkung überwiegt, so daß die Luft unmittelbar -über den Rand der Öffnung des Brennraumes hinweg an dessen Umfang entlang bis zu seinem Boden strömt und darauf in dnem von diesem aus aufsteigenden mittleren schraubenförmigen Wirbel in Richtung auf die Einspritzdüse zurückströmt.
Bei dieser Ausgestaltung der Maschine wird, wie durch Versuche festgestellt ist, zti der. Drehung der Luft um die Zylinderachse ebenfalls eine zweite Wirbelung hinzugefügt,-die aber über die innere Totlage des Kolbens hinausgeht, alsorzu Beginn des Ausdehnungshubes noch andauert. Solange sich der Kolben gegen den Zylinderdeckel zu bewegt, fließt die in dem mittleren schraubenförmigen Wirbel nach Art einer Windhose aufsteigende Luft von der Öffnung des Brennraumes zusammen mit der in diesen neu eintretenden Luft wieder an dem Umfang des Brennraumes entlang nach dem Boden des Brennraumes zu. Zu Beginn des Ausdehnungshubes tritt die in dem mittleren schraubenförmigen Wirbel aufsteigende Luft durch die Öffnung des Brennraumes in den Zylinderraum. Die Kolbenumkehr bewirkt dabei nicht eine Abbremsung oder Umkehr der Wirbelung, sondern begünstigt das Heraustreten des mittleren Luftwirbels nach der Einspritzdüse hin. Es können sich daher die letzten aus der Düse austretenden Brennstoffmengen noch mit Frischluft vermischen.
Um das Überwiegen der Fliehkraft der um die Zylinderachse kreisenden Luft über die Verdrängerwirkung des Kolbens zu erreichen, kann die dazu nötige Ausgestaltung der Durchströmquerschnitte für die Luft an verschiedenen Teilen auf dem Wege der Luft vom Saugkanal bis zum Rand der Öffnung des Brennraumes vorgenommen werden. Vorteilhaft wird der Durchgangsquerschnitt des Einlaßventils so verkleinert, daß durch Steigerung der Geschwindigkeit der um die Zylinderachse kreisenden Luft ihre Fliehkraft entsprechend erhöht wird. Dabei müssen zwar ungünstigere Füllungsverhältnisse in Kauf genommen werden, jedoch überwiegt der dadurch eingetauschte Vorteil der besseren Verbrennung.
Anstatt die Geschwindigkeit der um die Zylinderachse kreisenden Luft zu steigern, kann man auch zur Vermeidung der damit verbundenen Nachteile von dieser Steigerung absehen, dafür aber die Verdrängerwirkung des Kolbens verkleinern. Dies erfolgt zweckmäßig dadurch, daß der Spalt zwischen dem Kolben und dem Zylinderdeckel nach der Offnung des Brennraumes hin verbreitert ist. Es überwiegt auch dann die Fliehkraftwirkung der Luft die durch den Kolben hervorgerufene Verdrängerwirkung.
Auf der Zeichnung ist ein Teil einer Einspritzbrennkraftmaschine nach der Erfindung in zwei verschiedenen Ausführungsformen veranschaulicht.
Fig. r zeigt rin senkrechten Längsschnitt den oberen Teil des Zylinders vei einer Ausführungsforin der Maschine, und zwar in dem Augenblick, kurz bevor der Arbeitskolben den inneren Totpunkt erreicht. Fig. 2 zeigt den Arbeitskolben im Grundriß.
Fig. 3 zeigt den gleichen Schnitt wie Fig. i und veranschaulicht den Zustand zu Beginn des Ausdehnungshubes.
Fig.4 veranschaulicht den Strömungsverlauf eines Luftteilchens bei der Kolbenlage nach Fig. i.
Fig.5 ist ein senkrechter Längsschnitt durch die andere Ausführungsform in der Stellung des Kolbens entsprechend Fig. i.
Fig.6 veranschaulicht den Kolben nach Fig. 5 im Grundriß.
In dem Zylinder i arbeitet der Kolben z, der in Fig. i kurz vor Erreichen der inneren Totlage des Verdichtungshubes dargestellt ist. Das Einlaßventil3 und das Auslaßv entil 4 sind in dem Zylinderdeckel 6 gelagert. Die Einspritzdüse 5 ist ebenfalls im Zylinderdeckel 6 gelagert, und zwar gleichachsig mit dem Brennraum 7. .
Dieser Brennraum ist durch eine Aussparung des Kolbens 2 gebildet und im Grundriß ringförmig ausgebildet (Fig.2). Am Boden des Verbrennungsraumes 7, und zwar in seiner Mitte, ist eine warzenartige Erhöhung 8 vorgesehen, durch welche Leitflächen für die wirbelnde Luft gebildet werden. Infolge der Anordnung der Warze 8 hat der Brennraum 7 eine wulstförmige Gestalt (Feg. i). Der Brennraum 7 steht mit dem Zylinderraum il durch eine verengte Öffnung 9 in Verbindung, deren Ouerschnitt etwa 1/2 bis 1/4 des Zylinderquerschnitts beträgt. Die Achse des Brennraumes 7 fällt ebenso wie diejenige der Einspritzdüse 5 mit der Zylinderachse zusammen. Die aus der Brennstoffdüse 5 austretenden Strahlen des zerstäubten Brennstoffes werden gegen die nahe des Randes 14 der Brennraumöffnung 9 liegenden, sich besonders stark erhitzenden- Stellen der Seitenwandung dieses Raumes gespritzt.
Das Einlaßventil 3 ist mit einem Schirm io versehen, welcher derartig angeordnet ist, daß die Ladeluft durch das Ventil 3 in annähernd tangentialer Richtung in den Arbeitszylinderraurn i i einströmt. Die Ladeluft kreist also im Arbeitszylinder um dessen Achse.
Durch entsprechend geringe Bemessung des Durchströmquerschnittes des Einlaßventils 3 ist die Einströmgeschwindigkeit der Luft so erhöht, daß am Rand 14 der Brennraumöffnung 9 die Fliehkraft, die beim Herumkreisen der Ladeluft um die Zylinderachse auftritt, die beim Aufstieg des Kolbens (Feg. i) infolge seiner Verdrängerwirlung radial gegen die Zylinderachse gerichtete Kraft der Luft überwiegt. Der Durchströmquerschnitt für die Luft am Ventil 3 ist daher kleiner, als er sich ergeben würde, wenn man lediglich die besten Füllungsverhältnisse erreichen will. Bewegt sich daher der Kolben in die innere Totlage, so wird die im Arbeitszylinder i i kreisende Luft (Pfeil 12) in folgender Weise in den Brennraum 7 eingeführt.
In Fig. 4 ist die Bahn a eines Teilchens der Luft veranschaulicht, welche dieses gegen Ende des Verdichtungshubes beschreibt (Feg. i). Das Luftteilchen unterliegt zwei Wirkungen, nämlich der Fliehkraftwirkung, welche das Teilchen nach außen zu schleudern sucht, und der Verdrängerwirkung des Kolbens, welche das Teilchen nach der Zylindermitte hin zu treiben sucht. An dem Punkt b des Randes 14 der Kolbenöffnung 9 überwiegt die Fliehkraft die infolge der Verdrängerwirkung auf das Luftteilchen wirkende radiale Kraft. Dies hat zur Folge, daß das Luftteilchen an dem Punkt b unmittelbar über den Rand 14 hinweg in den Brennraum 7 so eintritt, daß es schräg zur Zylinderachse an dem Umfang des Brennraumes entlang strömt, bis es etwa am Punkt c sich dein Boden nähert und darauf in Form einer Spirale d nach der Achse des Brennraumes hin strömt und dann in einer Schraubenlinie e von der Warze 8 aus in Richtung auf die Einspritzdüse 5 (Feg. i) aufsteigt. Die Gesamtheit der Luftteilchen bildet bei diesem Aufstieg nach Schraubenlinien die Windhose 13 (Feg. i).
Von der Düse 5 wird der Brennstoff in mehreren über den Umfang verteilten Strahlen durch den oberen Teil des windhosenartigen Wirbels 13 hindurch unter den Rand 14 der Öffnung 9 in den Brennraum 7 gespritzt. Bei Beginn der Einspritzung heizt der mittlere windho-senartige Wirbel 13, dessen Luft an der heißen Wandung des Breanlraumes entlang geströmt -war, den Brennstoff schon von der Strahlwurzel an intensiv auf, so daß sich ein kleiner Zündverzug @ ergibt. Die in der Windhose 13 aufsteigende Luft strömt vor der inneren Totlage des Kolbens mit der aus dem Zylinderraum i i noch in den Brennraum 7 eintretenden Luft zusammen am Umfang des Brennraumes 7 wieder gegen seinen Boden. Diese Luft wird mit dem aus der Düse austretenden Brennstoff intensiv gemischt.
Am Anfang des Ausdehnungshubes, wenn der Kolben sich wieder nach unten bewegt (Feg. 3), tritt die Windhosenströmung durch die Öffnung 9 in den Zylinderraum. Dieses Heraustreten der Windhose aus dem Brennraum 7 wird durch die Saugwirkung des Kolbens 2 unterstützt. Dabei strömt der letzte. Rest der in der Windhose 13 noch vorhandenen .frischen Luft durch die Brennstoffstrahlen hindurch, so daß auch der letzte Rest des Brennstoffs mit frischerLuft vermischt wird.
Bei der Ausführungsforen nach Fig. 5 und 6 sind ebenfalls ein Einlaßventil 3, ein Auslaßventil 4 und eine gleichachsig zum Brennraum 7 und in der Zylinderachse angeordnete Einspritzdüse 5 im Zylinderdeckel 6 gelagert. Der Brennraum 7 ist wiederum durch eine im Grundriß ringförmige Aussparung des im Zylinder i arbeitenden Kolbens 2 gebildet, und zwar hat der Brennraum 7 wiederum infolge der Anordnung einer warzenartigen Erhöhung in der Mitte des Brennraumbodens eine wulstfö-rmige Gestalt. Der Brennraum 7 steht mit dem Zylinderraum i i ebenfalls durch eine verengte Üffnung 9 in Verbindung, deren Ouerschnitt etwa 1%2 bis 114 des Zylinderquerschnittes beträgt. Das Einlaßventil 3 ist auch mit einem Schirm io o. dgl. versehen, der derartig angeordnet ist, daß die Ladeluft durch das Ventil 3 in annähernd tangentialer Richtung in den Arbeitszylinderraum i i eingeführt -wird und daher in diesem Raum kreist.
Die obere Kolbenfläche besitzt eine Abschrägung 15, welche entsprechend dem Mantel eines abgestumpften Kegels ausgebildet ist. Infolge der Anordnung der Abschrägung i5 erweitert sich der Spalt zwischen Kolben :2 und Zylinderdeckel 6 gegen den Rand 14 der Üffnung 9 hin.
Bewegt sich der Kolben 2 gegen die innere Totlage (Fig. 5), so fließt wiederum die im Zylinderraum ii kreisende Luft von diesem Raum durch die Üffnung g in den Brennraum 7. Infolge der Anordnung der kegelförmigen Aussparung 15 an der oberen Fläche des Kolbens 2 wird die durch die Verdrängerwirkung hervorgerufene Geschwindigkeitskomponente der Luft bei der Annäherung des Kolbens 2 an die innere Totlage stark verringert, so daß die sich aus der Luftdrehung ergebende Flie:.kraft= der Luft am Rande 14 der Brennraumöffnung 9 überwiegt. Die Luft strömt daher wiederum entsprechend den Pfeilen 12 (Ffg. 5 und 6) unmittelbar über den Rand 14 der öffnungg des Brennraumes 7 in diesen Raum ein und fließt schräg-an der äußeren Wand des Brennraumes zu dessen Boden. Die Vorgänge bei der Luftwirbelung, Einspritzung und Vermischung sind im übrigen bei der Maschine nach Fig. 5 und 6 die gleichen wie bei der Ausführungsform nach Fig. i bis 3.
Der Z orteil der Maschine nach Fi-'. 5 und 6 besteht darin, daß-die oben geschilderte günstige Wirbelbildung beim Einströmen der Luft in den Brennraum 7 eintritt, ohne daß die Luft mit übermäßig großer Geschwindigkeit in den Zylinderraum i i eingeführt werden muß. @ Der Durcbströmquerschnitt des Einlaßventils 3 kann also bei der Maschine nach Fig. 5 und 6 normale Größe haben. Anstatt die kegelförmige * Aussparung am Kolben anzuordnen, kann sie auch am Zylinderboden vorgesehen sein.
Die Erfindung eignet sich sowohl für Viertakt- als auch für Zweitaktmaschinen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: x. Einspritzbrennkraftmaschine mit um die Zylinderachse kreisender Luftladung, bei der während des Verdichtungshubes im -wesentlichen die gesamte Luftladung in einen mindestens annähernd um die Kolbenachse angeordneten Brennraum von wulstförmiger Gestalt verdrängt wird, in dessen wirbelnden Luftinhalt gegen Ende des Verdichtungshubes und zu Beginn des Ausdehnungshubes flüssiger Brennstoff durch eine zentral zum Brennraum. im Zylinderkopf angeordnete Düse eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchströmquerschnitt für die in den Arbeitsraum (i i) der Maschine oder für die aus diesem Arbeitsraum in den Brennraum (7) strömende Luft so gestaltet ist, daß beim Eintritt der um die Zylinderachse kreisenden Luft in den Brennraum (7) gegen Ende des Verdichtungshubes die Fliehkraftwirkung die durch. den Kolben (2) hervorgerufene Verdränge_rwirkung überwiegt, so daß die Luft unmittelbar über den Rand (i4) der öffnung (9) des Brennraumes (7) hinweg an dessen Umfang entlang bis zu seinem Boden strömt und darauf in einem von diesem aus aufsteigenden mittleren schraubenförmigen Wirbel (i3) in Richtung auf die Einspritzdüse (5) zurückströmt.
2. Maschine nach Anspruch i, bei der die Ladeluft dem Arbeitszylinder tangential zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchgangsquerschnitt des Einlaßventils (3) derartig verkleinert ist, daß d u;rch Steigerung der Geschl#"indigkeit der in den Zylinderraum (ii) einströmenden und um die Zylinderachse kreisenden Luft ihre Fliehkraft so erhöht wird, daß die Fliehkraftwirkung am Rande (i4) der Brennraumöffnung (9) überwiegt.
3. Maschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt zwischen den Kolben (2) und dem Zylinderdeckel (6) nach der öffnung (9) des Brennraumes (7) hin derartig verbreitert ist, daß infolge Verkleinerung der Verdrängerwirkung des Kolbens auf die Luft am Ende des Verdichtungshubes die Fliehl:raftwirkung am Rande (i4) der Brennrautnöfnung (9) überwiegt.