DE869885C

DE869885C - Einspritzbrennkraftmaschine mit Einspritzung des Brennstoffes in einen vom Hauptbrennraum abgesetzten Einspritzraum

Info

Publication number: DE869885C
Application number: DED2402D
Authority: DE
Inventors: Werner Von Dipl-I Mallinckrodt
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1939-12-15
Filing date: 1939-12-15
Publication date: 1953-03-09

Description

Einspritzbrennkraftmaschine mit Einspritzung des Brennstoffes in einen vom Hauptbrennraum abgesetzten Einspritzraum Die Erfindung bezieht sich auf eine Einspritzbrennkraftmaschine mit Einspritzung des Brennstoffes in einen vom Hauptbrennraum abgesetzten Einspritzraum und besteht im -wesentlichen darin, daß der Brennstoff durch einen verhältnismäßig weiten Mündungskanal des Einspritzraumes im wesentlichen ungedrosselt auf den Boden eines mit einer Mulde --ersehenen Kolbens aufgespritzt -wird und die Wandung des Mündungskanals so -weit in den Hauptbrennraum geführt ist, daß im inneren, d. h. bei stehenden Zylindern oberen Kolbentotpunkt nur ein schmaler Ringspalt zwischen der Wandung des Mündungskanals- und dem Kolbenboden verbleibt, durch welchen der auf den Kolben-Boden aufgespritzte Brennstoff in der Kolbenmulde --erteilt -wird. Die Kolbenmulde ist hierbei möglichst derart zu bemessen, daß sich der aus dem Ringspalt austretende Brennstoff bzw. das aus ihm austretende Brennstoff-Luft-Gemisch möglichst frei entfalten kann.
Mit einer derart ausgebildeten Maschine sind überraschend giinstige Ergebnisse erzielbar. Der Brennstoffverbrauch sinkt auf einen bisher unerreichten Wert, der zwischen i 5o und 16o g/PS-Std. liegend festgestellt wurde und auch im gesamten Belastungsbereich, wie er z. B. bei Fahrzeug- oder Flugmaschinen üblich ist, nahezu beibehalten -werden kann. Die Verbrennung ist vollkommen, und die Maschine.ergibt im gesamten Belastungsbereich: einen praktisch unsichtbaren Auspuff. Der mittlere- Druck und die Leistung der Maschine sind ungewöhnlich hoch.
Diese Ergebnisse werden vor allem durch besonders günstige thermische Verhältnisse, eine vollkommene Zerstäubung und Durchmischung des Brennstoffes mit Luft und geringe Drosselverluste erzielt.
Dadurch, daß :der Brennstoffkegel in voller Breite und ohne oder ohne wesentliche vorherige Drosselung auf den Kolbenboden auftritt, verteilt sich die Wirkung des brennenden Strahles auf den Kolbenboden auf eine grb:ßere Fläche, als es z. B. bei bekannten Vorkammern mit Lochböden der Fall ist, bei denen ein scharfer Strahl aus den Bohrungen des Lochbodens gegen den Kolben gerichtet ist. Auch wird der Kolben durch den auftreffenden Strahl thermisch dadurch weniger belastet, daß die Flamme des Brennstoffgemisches bei ihrem Auftreffen auf den Kolben gegenüber derri Hauptbrennraum noch in Drosselverbindung und daher noch unter Luftmangel steht, im Gegensatz zu anderen bekannten Maschinen, bei denen der Brennstoff gegen den Kolbenboden oder am Kolbenboden befindliche Ansätze gespritzt wird; die Flamme ist daher bei ihrem Auftreffen auf den Kolbenboden im oberen Totpunkt weniger heiß als bei diesen bekannten Maschinen.
Infolge der geringen Drosselwirkung während des größten Teiles des Verdichtungshubes sowie infolge der starken Verteilungswirkung des Kolbenbodens auf den Brennstoff in Verbindung mit dem zwischen der Wandung des Mündungskanals und dem Kolbenboden gebildeten Ringspalt ist es auch möglich, ohne besondere Wärmespeichernde Einsätze auszukommen. Die Anordnung von der Verbrennungs- und Verzunderungs:gefahr besonders ausgesetzter Teile kann daher ebenso wie ein Kracken des Brennstoffes infolge Auftreffens noch flüssiger Brennstoffteilchen auf besonders heiße Teile vermieden werden. Soweit die Wandung des Mündungskanals in den Hauptbrennraum hineinragt, kann diese gegebenenfalls unmittelbar mit der Zylinderkopfwandung verschweißt werden. Es kann indessen auch ein besonderer Einsatz, und zwar möglichst mit guter Wärmeabgabe an dieZylinderkopfwandung, verwendet werden, welcher insbesondere auch den in den Hauptbrennraum hineinragenden Wandungsteil des Mündungskanals enthält.
Die Umlenkung des Brennstoffgemisches ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung des Brennstoffes auf den Hauptbrennraum, so daß :die gesamte im Brennraum befindliche Luft für die Verbrennung nutzbar gemacht wird, wobei der drosselnde Ringspalt einen fue die wirksame Zerstäubung ausreichenden Überdruck im Einspritzraum sicherstellt. Durch die Anwendung einer Kolbenmulde wird ferner einerseits verhindert, daß der Brennstoff auf die kalte Zylinderwandung auftrifft und dadurch Ablagerungen und ein rauchender Auspuff hervorgerufen werden, und andererseits kann dadurch eine vorteilhafte Wirbelung im Hauptbrennrauin erzeugt werden, indem die über dem äußeren Kolbenrand verdrängte Luft eine wulstfb:rmige Wirbelbewegung über der Kolbenmulde ausführt.
Besonders günstige Ergebnisse lassen sich erreichen, wenn die Wandung des Mündungskanals im oberen Kolbentotpunkt bis nahe an die tiefste Stelle des die Kolbenmulde bildenden Kolbenbodens heranreicht, insbesondere- derart, daß das tangential am Kolbenboden aus dem Ringspalt austretende Brennstoffgemisch die über dem Kolbenboden bestehende Wirbelbewegung unterstützt oder eine solche Wirbelbewegung hervorruft. Der Ringspalt hat zweckmäßig, insbesondere bei den für Flug- und Fahrzeugmaschinen in Betracht kommenden Größen, eine Weite von 2 bis q. mm. Bei einer wesentlichen Abweichung von diesen Werten sind :die -durch die Erfindung erzielbaren Ergebnisse, insbesondere die hohen mittleren Drücke, in der Regel nicht mehr erreichbar.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß infolge :der nur kurzzeitigen Drosselwirkung zwischen dem Einspritzraum und dem Hauptbrennraum durch Annäherung des Kolbens an die Wandung :des Mündungskanals und infolge der im übrigen verhältnismäßig weiten Verbindung zwischen beiden Räumen, die im allgemeinen unterschätzten Pumpverluste des Kolbens wirksam herabgesetzt werden.
Des weiteren wird das Startvermögen der Maschine dadurch verbessert, daß einerseits die Drosselung der in die Einspritzkammer hineinströmenden Luft während des Verdichtungshubes nur gering ist, so daß auch nurgeringeAbkühlungsverluste der Luft eintreten, und daß andererseits der Brennstoff teilweise unmittelbar von der Einspritzdüse bis in die über dem Kolbenboden befindliche heißere Luft gelangt.
Von besonderer Bedeutung ist ferner die Anordnung der Einspritzdüse derart, daß eine genügende Spritzlänge, d. h. ein genügend großer Abstand der Düse vom Kolbenboden, vorhanden ist. Dieser Abstand soll so groß sein, daß sich der Brennstoff bei seinem Auftreffen auf den Kolbenboden in bereits zur Zündung vorbereitetem und teilweise brennendem Zustande befindet. Andererseits darf er aber auch nicht zu groß sein, damit noch die angestrebte wirksame Prallwirkung des Brennstoffstrahles am Kolbenboden entsteht. Zn der Regel wird daher die Entfernung zwischen der Einspritzdüsenmündung und dem Kolbenboden ungefähr dem halben Zylinderdurchmesser zu wählen sein. Der Mündungskanal besitzt zweckmäßig eine Weite, welche mindestens ein Fünftel dieser Entfernung beträgt. Er kann jedoch auch, ohne daß sich die guten Ergebnisse der Maschine wesentlich verändern, unter Umständen erheblich weiter gehalten sein.
Damit im Einspritzraum eine geniigende Luftmenge vorhanden ist, um eine Teilzündung und ausreichende Druckerhöhung in ihm zu ermöglichen, kann der Einspritzraum nach Art einer Vorkammer z. B. einen der Einspritzdüse benachbarten erweiterten Raum umfassen, an den sich der den Brennstoffstrahl aufnehmende Mündungskanal anschließt. Gegebenenfalls kann jedoch auch der Einspritzraum aus einem kanalförmigen Raum gleichmäßigen Durchmessers bestehen, insbesondere wenn dieser genügend weit gehalten ist, um die erforderliche Luftmenge aufnehmen zu können.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispi,2l der Erfindung dargestellt.
Im Zylinderdeckel a des Zylinders b ist gleich-Inittig über dem Kolben c: ein vorkammerartiger Einspritzraum d vorgesehen. In dem Vorkammermund ist ein zylindrischer Einsatz e angebracht, der im dargestellten Fall in die Zylinderkopfwandung eingeschraubt ist und einen zylindrisch,-n Mündungskanal f enthält. Der Einsatz ragt mit seinem unteren Ende e' über die den Hauptbreni:-raum ä begrenzende Wandung la des Zylinderdeckels in den Hauptbreniraum hinein und ist an dem freien Ende waagerecht abgeschnitten. Axial zum Mündungskanal f oberhalb des vorkammerartigen Einspritzraumes ist die Einspritzdüse i in den Zylinderkopf eingesetzt.
Der Boden des Kolbens c weist eine Vertiefung k in Form einer flachen, nach außen gegen den Kolbenrand l auslaufenden Mulde auf, derart, daß im oberen Kolbentotpunkt zwischen dem unteren Ende e' des Einsatzes und dem Boden fit der Kolbenmulde ein enger Ringspalt z. gebildet wird. Zur Umlenkung des Brennstoffes bzw. Brennstoffgemisches kann ein Umlenkkegel o am Muldenboden vorgesehen sein. Die Einlaß- und Auslaßventile, die bei p angedeutet sind, sind zweckmäßig oberhalb der Kolbenmulde angeordnet. Die lichte Weite des Einsatzes e ist derart bemessen, daß der aus der Düse i austretende Brennstoffstrahl, nachdem er die Vorkammer d durchquert und sich hierbei mit Luft gemischt und teilweise entzündet hat, praktisch ungedrosselt durch den Mündungskanal hindurchströmt, wie der eingezeichnete Strahlverlauf andeutet. Die zu Beginn des Verbrennungshubes notwendige Drosselung erfolgt durch den Ringspalt 3t, dessen Spaltweite gegebenenfalls auch durch axial verstellbare Anordnung des Einsatzes regelbar sein kann. Durch den Ringspalt wird das Brennstoffgemisch am Kolbenboden entlang in der Mulde k sowie im Hauptbrennraum g verteilt, ohne mit den kalten Zylinderwandungen in unmittelbare Berührung zu kommen. Hierdurch sowie durch Verdrängung der über dem Kolbenrand 1 befindlichen Luft bei Annäherung an die obere Kolbentotpunktlage wird eine in der Zeichnung gestrichelt angedeutete wulstförmige Luftbewegung im Hauptbrennraum bewirkt, die gegebenenfalls noch durch entsprechende Ausbildung der Zylinderkopfwandung lt unterstützt werden kann.
Als besonders günstig hat sich eine ebene Mulde mit einem Durchmesser ihrer Bodenfläche von ungefähr 6o bis 8o% des Zylinderdurchmessers und einer Tiefe von zo mm bei den für Fahrzeug- und Flugmotoren üblichen Maschinengrößen ergeben. Der Ringspalt n besitzt zweckmäßig eine Weite von a bis 3 mm, möglichst jedoch nicht größer als .I mm im oberen Kolbentotpunkt. Die Entfernung der Düsenmündung von dem Kolbenboden entspricht ihrer Größenordnung nach ungefähr dem halben Zylinderdurchmesser, .der Durchmesser des Mündungskanals f zweckmäßig mindestens einem Fünftel und seine Länge ungefähr der Hälfte dieser Entfernung.
Der Einsatz e kann ohne besondere Isolierung in den Zylinderkopf eingesetzt sein. Andernfalls ist eine wirksame Wärmeableitung auf die Zylinderkopfwandung vorzusehen. Gegebenenfalls kann auch der Boden der Kolbenmulde in seinem mittleren Teil erhöht sein, so daß der Spalt n zwischen dieser Erhöhung und dem unteren Ende des Mündungskanals gebildet wird; doch hat sich eine solche Anordnung als weniger günstig erwiesen. Dasselbe gilt, wenn der Hauptbrennraum statt durch eine Mulde im Kolbenboden hauptsächlich durch eine entsprechende Ausnehmung im Zylinderkopf gebildet wird.
Der Ringspalt ist zweckmäßig waagerecht nach außen gerichtet. Er kann jedoch gegebenenfalls auch bei entsprechend ausgebildetem Kolbenboden schräg abwärts oder schräg aufwärts gerichtet sein. Ferner kann der Ringspalt unter Umständen auch durch im Kolbenboden angeordnete Rippen od. dgl. in einzelne Öffnungen unterteilt sein bzw. auf seinem Umfange verschiedene Weite besitzen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: r. Einspritzbrennkraftmaschine mit Einspritzungdes Brennstoffes in einen vom Hauptbrennraum abgesetzten Einspritzraum, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff durch einen verhältnismäßig weiten Mündungskanal des Einspritzraumes im wesentlichen ungedrosselt auf den Boden eines mit einer Mulde versehenen Kolbens aufgespritzt wird und die. Wandung .des Mündungskanals so weit in den Hauptbrennraum geführt ist, daß im inneren, d. h. bei stehenden Zylindern oberen Kolbentotpunkt nur ein schmaler Ringspalt zwischen der Wandung des Mündungskanals und dem Kolbenboden verbleibt, durch welchen der auf den Kolbenboden aufgespritzte Brennstoff in der Kolbenmulde verteilt wird. z. Einspritzbrennkraftmaschine nach Anspruch z, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritzraum und die Kolbenmulde im wesentlichen gleichmittig zum Zylinderraum angeordnet werden und der Brennstoff im wesentlichen in Richtung der Zylinderachse eingespritzt wird. 3. Einspritzbrennkraftmaschine nach Anspruch r und z, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung des Mundungskanals im oberen Kolbentotpunkt bis nahe an die tiefste Stelle ,des die Kolbenmulde bildenden Kolbenbodens heranreicht, insbesondere derart, daß der tangential am Kolbenboden austretende Brennstoff eine Wirbelbewegung über dem Kolbenböden hervorruft bzw. unterstützt. q. Einspritzbrennkraftmaschine nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die, vorzugsweise im wesentlichen ebene, Kolbenmulde sich nahezu über den gesamten Kolbenboden mit Ausnahme eines äußeren ringförmigen Kolbenrandes erstreckt. Einspritzbrennkraftmaschine nach Anspruch i bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung der Einspritzdüsenmündung vom Kolbenboden mindestens so groß ist, z. B. in der Größenordnung des halben Zylinderdurchmessers, daß der Brennstoff in bereits aufbereitetem und teilweise brennendem Zustande auf den Kolbenboden auftrifft. 6. Einspritzbrennkraftmaschine nach Anspruch i -bis 5, .dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritzrau@rri aus einem der Einspritzdüse benachbarten erweiterten Vorkammerraum und einem daran anschließenden Mündungskanal von verhältnismäßig großer Weite besteht. 7. Einspritzbrennkraftmaschine nach Anspruch i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Weite des Mündungskanals mindestens ein Fünftel der Entfernung der Einspritzdüse vom Kolbenboden im oberen Totpunkt beträgt. B. Einspritzbrennkraftmaschine nach Anspruch i bis 7, dadurch gglc.ennzeichnet, daß die Länge des Mündungskanals größer als seine Breite ist und z. B. ungefähr der halben Entfernung der Einspritzdüsenmündung vom Kolbenboden entspricht. 9. Einspritzbrennkraftmaschine nach Anspruch i bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Weite des Ringspaltes zwischen der Wandung des Mündungskanals und dem Kolbenboden im oberen Kolbentotpunkt 2 bis 4 mm beträgt. ro. Einspritzbrennkraftmaschine nach Anspruch i bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Mündungskanal im wesentlichen zylindrische Form besitzt. i i. Einspritzbrennkraftmaschine nach Anspruch i bis 5 oder 9 und io, dadurch gekennzeichnet, daß derEinspritzraum kanalartig ohne wesentliche Erweiterung ausgebildet eist und gleichzeitig den Mündungskanal zum Hauptbrennraum bildet. i?. Einspritzbrennkraftmaschine nach Anspruch i bis i i, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Hauptbrennraum hineinragende Wandung des Mündungskanals an denZylinderkopf angeschweißt ist. 13. Einspritzbrennkraftmaschine nach Anspruch i bis i i, dadurch gekennzeichnet, daß der Mündungskanal innerhalb eines EinsatzstrÜckes angeordnet ist, welches auf seiner Außenseite mindestens teilweise dicht an der Wandung des Zylinderkopfes anliegt. i4.. Einspritzbrennkraftmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Weite des Ringspaltes durch axiale Verstellung des den Mündungskanal enthaltenden Einsatzes regelbar ist. 15. Einspritzbrennkraftmaschine nach Anspruch i bis 1q., dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenboden an der Auftreffstelle des Brennstoffes mit einem Umlenkkegel versehen ist, durch welchen der im wesentlichen axial auftreffende Brennstoff radial gegen den im oberen Kolbentotpunkt entstehenden Ringspalt umgelenkt wird.