DE942950C

DE942950C - Self-igniting, air-compressing internal combustion engine

Info

Publication number: DE942950C
Application number: DEM21720A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Hans Hockel
Original assignee: Motoren Werke Mannheim AG
Current assignee: Caterpillar Energy Solutions GmbH
Priority date: 1954-01-31
Filing date: 1954-01-31
Publication date: 1956-05-09

Description

Selbstzündende, luftverdichtende Brennkraftmaschine Die Erfindung betrifft die besondere Gestaltung der Verbindung zwischen Vorkammer und Hauptverbrennungsraum bei selbstzündenden, luftverdichtenden Einspritzbrennkraftmaschinen. Der -diese Verbindung bildende Überströmquerschnitt ist .daabei durch einen Einsatz in eine innere Bohrung und eine Anzahl äußerer Durchtrittsöffnungen unterteilt, wobei die Einspritzdüse mit engem Strahlwinkel durch die erstgenannte Bohrung spritzt.Self-igniting, air-compressing internal combustion engine The invention concerns the special design of the connection between the antechamber and the main combustion chamber in self-igniting, air-compressing internal combustion engines. The -this Connection forming the overflow cross-section is .thereby an insert in a inner bore and a number of outer through openings divided, the Injection nozzle with a narrow jet angle injects through the first-mentioned hole.

Es ist Aufgabe der Erfindung, das Einsatzstück so zu gestalten, daß dasselbe ein Ein&trömen der Verbrennungsluft in die Vorkammer mit hoher Geschwindigkeit und ein Auftreffen der Luft auf den Brennstoffstrahl mit dieser Geschwindigkeit verhindert. Diese Verhinderung ist für einen einwandfreien und sparsamen Betrieb eines Dieselmotors sehr wesentlich, weil das Auftreffen eines Luftstrahls von hoher Geschwindigkeit auf den Brennstoffstrahl eine Zusammenballung der Brennstofftröpfchen und damit eine ungenügende Durchmischung von Brennstoff und Luft zur Folge hat, was wiederum einen hohen Brennstoffverbrauch und rußenden Auspuff mit sich bringt.It is an object of the invention to design the insert piece so that the same thing that the combustion air flows into the antechamber at high speed and the air impinging on the fuel jet at that velocity prevented. This prevention is for a perfect and economical operation of a diesel engine is very important because the impact of an air jet of high Velocity on the fuel jet causes an agglomeration of the fuel droplets and thus results in insufficient mixing of fuel and air, which in turn results in high fuel consumption and sooting exhaust.

Mit den bisher bekannten Vorkammereiinsätz@em wurde die vorstehend erläuterte Aufgabe nicht gelöst. So wird z. B. bei Vorkammereinsätzen, welche eine mittlere und mehrere um dieselbe auf einem Kreis angeordnete Überströmnöffnungen aufweisen, das Ziel, den Brennstoffstrahl vor einer-Aufspaltung ,in größere Tropfen zu bewahren, nur in sehr unvollkommener Weise erreicht, . weil der Strömungsverlauf in den Querschnitten der äußeren, auf dem Kreis. liegenden Öffnungen so stark abgewinkelt und dadurch behindert ist, daß der Hauptanteil der Verbrennungsluft durch die mittlere Öffnung strömt, dabei auf den Brennstoffstrahl trifft und denselben ein der beschriebenen 'nachteiligen Weise beinflußt. Alle Überströnnöffnungen dieses bekannten Einsatzes münden scharfkantig in die Vorkammer und -.in den Verbrennungsraum. An diesen scharfen, Kanten entstehen Wirbel, die den Brennstoffstrahl zerreißen, so daß er nicht in der gewünschten geschlossenen Form durch die Mittelbohrung des Einsatzes gelangen kann.With the previously known Vorammereiinsätz @ em, the above explained task not solved. So z. B. in antechamber inserts, which one medium and several around the same on one Circular arranged overflow openings have the aim of breaking the fuel jet into larger droplets to preserve, achieved only in a very imperfect way. because the flow course in the cross sections of the outer, on the circle. lying openings so strongly angled and is hindered by the fact that the main part of the combustion air through the middle Opening flows, it meets the fuel jet and the same one of the described 'adversely affects. All overflow openings of this known insert open with sharp edges into the antechamber and into the combustion chamber. On these sharp, Edges create eddies that tear the fuel jet so that it does not fall into get the desired closed shape through the central hole of the insert can.

Es ist ein weiterer Einsatz bekanntgeworden, bei dem um eine zylindrische Mittelbohrung mehrere Querschnitte angeordnet sind, deren Wände parallel zur Brennstoffstrah dachse verlaufen. Der Querschnitt der -Mittelbohrung und der Querschnitt der äußeren Öffnungen sind etwa gleich groß, so daß in der Mittelbohrung-immer noch eine sehr starke Strömung während des Verdichtungshubes herrscht, die den Brennstoffstrahl ungünstig beeinflußt. Hinzu kommt noch die unvorteilhafte Wirkung der auch in diesem Fall scharfkantigen Ausmündüngen der Überströmquerschnitte.Another use has become known, in which around a cylindrical Central bore several cross-sections are arranged, the walls of which are parallel to the fuel jet badgers run. The cross-section of the center hole and the cross-section of the outer one Openings are about the same size, so that in the central hole-still a very strong flow prevails during the compression stroke, which is the fuel jet adversely affected. Added to this is the disadvantageous effect of this too Case of sharp-edged mouths of the overflow cross-sections.

Andere bekannte Vorkammern besitzen eine schräg imVorkammerboden befinidlicheÜberströmöffnung sowie eine zur Vorkammerachse seitlich versetzte Einspritzdüse zu dem Zweck, daß der durch,die Überströmöffnung während des Verdichtungshubes in die Vorkammer einströmende Luftstrahl am Brennstoffstrahl vorbeigeleitet werden soll. Damit :ist jedoch der Nachteil verbunden, daß sich dieser Vorschlag nur bei einseitig zur Zylindermittelachse versetzter Vorkammer verwirklichen läßt, weil nur in dnesem Fall einte einigermaßen gleichmäßige Verteilung des Brennstoffstrahles über den Hauptverbrennungsraum stattfindet.Other known antechambers have an overflow opening located at an angle in the antechamber floor and an injection nozzle laterally offset to the prechamber axis for the purpose that the one flowing through the overflow opening into the antechamber during the compression stroke Air jet is to be guided past the fuel jet. So: is however the The disadvantage is that this proposal is only one-sided to the cylinder center axis offset antechamber can be realized, because only in this case they are more or less united uniform distribution of the fuel jet takes place over the main combustion chamber.

Die erfindungsgemäße Aufgabe der Vermeidung dieser Nachteile wird dagegen dadurch gelöst, daß bei einer symmetrisch zur Einspritzdüsenachse angeordneten Vorkammer Idas Einsatzstück derselben, welches eine mittlere Öffnung, auf die der eingespritzte Brennstoffstrahl gerichtet ist, sowie einen äußeren, ringförmig um die Mittelöffnung angeordneten Durchtrittsquerschnitt besitzt, so ausgebildet ist, -daß die Mittelöffnung des Einsatzstückes eine kleinere Querschnittsfläche aufweist als die ringförmige Öffnung -unid d'aß ferner die-Wandung der Mittelöffnung mit tropfenförmigem Querschnitt derart gestaltet ist, daß sie sich in Richtung auf den Zylinderraum verjüngt und daß außerdem die Begrenzungslinie der Außenwandung der ringförmigen Öffnung etwa nach einer Hyperbel verläuft, die in. die Brennraumwand bzw. den Zylindlerkopfboden übergeht, so daß, der Hauptteil der vom Kolben verdichteten Luft ohne wesentlichen Widerstand über die ringförmige Öffnung in die Brennkammer strömt, während dne durch die Mittelöffnung strömende Luft nur mit verhältnismäßig geringer Geschwindigkeit auf den Brennstoffstrahl auftrifft und daher eine Aufspaltung desselben verhindert.The object of the invention is to avoid these disadvantages on the other hand, solved in that at a symmetrical to the injector axis arranged Antechamber Idas insert piece of the same, which has a central opening on which the injected fuel jet is directed, as well as an outer, annular around the central opening has arranged passage cross-section, is designed so -that the central opening of the insert has a smaller cross-sectional area as the annular opening -unid d'ass also the -wall of the central opening teardrop-shaped cross-section is designed so that it extends in the direction of the Tapered cylinder space and that also the boundary line of the outer wall of the annular opening runs approximately after a hyperbola, which in. the combustion chamber wall or the cylinder head base passes over, so that the main part of the compressed by the piston Air with no substantial resistance through the annular opening into the combustion chamber flows, while the air flowing through the central opening is only relatively high low velocity strikes the fuel jet and therefore a split the same prevented.

Gemäß der weiteren Erfindung ist es vorteilhaft, den äußeren Ringquerschnitt des Einsatzstückes durch mehrere; vorzugsweise drei an sich bekannte Stege zu überbrücken, welche in Längsrichtung des Einsatzstückes schrägflächig verlaufen und bogenförmig ausgebildet sind. Hierdurch wird erreicht, daß die Bahnen der vom entzündeten Brennstoff in der Vorkammer in den Zylinderraum getriebenen Brennstoffteilchen mit einem Drall schräg nach unten verlaufen und so die Luft im Hauptverbrennungsraum möglichst schnell und vollständig erfassen.According to the further invention, it is advantageous to use the outer ring cross-section the insert by several; preferably to bridge three well-known bridges, which run obliquely and arcuate in the longitudinal direction of the insert are trained. This ensures that the paths of the ignited fuel Fuel particles driven into the cylinder chamber in the antechamber with a swirl run diagonally downwards and thus the air in the main combustion chamber as quickly as possible and capture it completely.

Die besondere Gestalt der Stege weist darüber hinaus den weiteren Vorteil auf, daß Risse infolge von Wärmespannungen. vermieden bleiben.The special shape of the bridges also shows the other Advantage that cracks as a result of thermal stress. stay avoided.

Das Einsatzstück gemäß der Erfindung wirkt infolge seiner hohen Temperatur als Aufbereitungsstrecke, --und Versuche haben außerdem gezeigt, daß die Verhinderung der Brenn.stoffstrahlaufspaltung und die Vermeidung einer zu starken Drosselung zusammen mit der hervorgerufenen Drallwirkung einen überraschend niedrigen Brennstoffverbrauch zur Folge haben.The insert according to the invention works due to its high temperature as a processing line, - and tests have also shown that the prevention fuel jet splitting and avoidance of excessive throttling together with the resulting swirl effect, a surprisingly low fuel consumption have as a consequence.

In der Zeichnung iist in Fig. i ein Längsschnitt durch eine Vorkammner sowie einen Teil des Zylinderkopfes gezeigt, wobei .ein erfindungsgemäßes Einsatzstück die Verbindung herstellt, während Fig. 2 einen Schnitt durch dieses Einsatzstück gemäß Linie A-A der Fig. i darstellt.In the drawing, FIG. 1 shows a longitudinal section through a prechamber and a part of the cylinder head is shown, wherein .an insert according to the invention establishes the connection, while Fig. 2 is a section through this insert according to line A-A of Fig. i.

Wie Fig. i zeigt, ist über der Vorkammer i eine Einspritzdüse 3 angeordnet, welche unter einem verhältnismäßig kleinen Strahlwinkel den Brennstoff in erstere Kammer einspritzt. An der übergangssteile von der Vorkammer i in den z. B. wassergekühlten Zylinderkopf 5 ist ein Einsatzstück 7 angeordnet, welches sowohl eine mittlere Öffnung 9 als auch einen ringförmigen äußeren DuTchtrittsquerschnitt ii aufweist, der durch die Stege 13 unterteilt ist (siehe Fig. a). Die Stege sind dabei bogenförmig und in der Längsrichtung des Einsatzstückes schräg verlaufend angeordnet. Das Einsatzstück 7 besteht aus einem hochwarmfesten, zunderfreien Werkstoff und ist mit einem den Wärmedurchgang hemmenden Luftspalt 15 in den Zylinderkopf eingesetzt, so daß seine Temperatur während des Betriebes. so hoch ansteigt, daß es zur Brennstoffaufbereitung kommt. Die Vorkammer i umfaßt zwischen 30 und 7o°/0 der Verbrennungsluftmenge. Das Volumen der Vorkammer i und der Öffnungen 9, i i, gemessen in cm3; geteilt durch die Summe der kleinsten Querschnitte der Öffnungen 9, 11, gemessen in cm2, ergibt einen Wert, der zwischen 2o -und ioo cm liegt.As FIG. I shows, an injection nozzle 3 is arranged above the antechamber i, which injects the fuel into the first chamber at a relatively small jet angle. At the transition parts from the antechamber i into the z. B. water-cooled cylinder head 5, an insert 7 is arranged, which has both a central opening 9 and an annular outer duct cross-section ii, which is divided by the webs 13 (see Fig. A). The webs are arcuate and arranged to run obliquely in the longitudinal direction of the insert. The insert 7 consists of a highly heat-resistant, scale-free material and is inserted into the cylinder head with an air gap 15 which prevents the passage of heat, so that its temperature during operation. rises so high that it comes to fuel processing. The antechamber i comprises between 30 and 70% of the amount of combustion air. The volume of the antechamber i and the openings 9, ii, measured in cm3; divided by the sum of the smallest cross-sections of the openings 9, 11, measured in cm2, results in a value between 20 and 100 cm.

Im Kolben 17 der Brennkraftmaschine ist eine Mulde i9 vorgesehen, in welche der Vorkammerinhalt in Richtung -der in Fig. i eingezeichneten Pfeile eintritt. Die Kolbenmulde i9 kann dabei entweder durch die in Fig. i links dargestellte ringförmige, dem Strömungsverlauf angepaßte Vertiefung oder aber durch eine flache Mulde mit halbkreisförmigem Querschnitt, wie in Fig. i rechts dargestellt, gebildet sein.A recess i9 is provided in the piston 17 of the internal combustion engine, in which the antechamber contents in the direction of the arrows drawn in FIG entry. The piston recess i9 can either be replaced by the one shown on the left in FIG annular, the flow course adapted recess or else by a flat trough with a semicircular cross-section, as in Fig. i on the right shown, be formed.

Die Wirkungsweise der beschriebenen Einrichtung ist folgende: Gegen Ende des Verdichtungshubes wird mittels der Einspritzdüse 3 Brennstoff in dem abgebildeten kleinen Strahlwinkel gegen die mittlere Öffnung 9 des Einsatzstückes 7 hin eingespritzt, während die vom Kolben 17 verdrängte Luft durch die äußeren Öffnungen i i in die Vorkammer i eintritt und den Einspritzkegel nur an seiner Mantelfläche berührt. Der Gesamtquerschnitt i i ist im Verhältnis zur Mittelöffnung 9 so groß bemessen, daß beim Verdichtungshub durch die letztere keine wesentliche, den Brennstoffstrahl nachteilig beeinflussende Strömung erfolgt. Überdies bringt das" Einsatzstück in seiner erfindungsgemäßen Gestaltung nur eine so schwache Drosselwirkung mit sich, daß die kleine Geschwindigkeitsenergie der durch die mittlere Öffnung g strömenden Luft ebenfalls nicht zu einer Aufspaltung des Brennstoffstrahles ausreicht.The operation of the device described is as follows: Towards the end of the compression stroke, fuel is injected by means of the injection nozzle 3 in the small jet angle shown against the central opening 9 of the insert 7, while the air displaced by the piston 17 through the outer openings ii into the antechamber i occurs and only touches the injection cone on its outer surface. The overall cross section ii is dimensioned so large in relation to the central opening 9 that during the compression stroke through the latter there is no substantial flow adversely affecting the fuel jet. In addition, the "insert" in its design according to the invention only has such a weak throttling effect that the small velocity energy of the air flowing through the central opening g is likewise insufficient to split the fuel jet.

Der in der Vorkammer i entzündete Brennstoff treibt den noch unverbrannten Brennstoffanteil unter gleichzeitiger Verdampfung sowie Aufbereitung desselben am heißen Einsatz 7 in den Hauptverbrennungsraum, wobei die schrägen und gebogenen Stege 13 die gewünschte Drallwirkung ausüben. Im Hauptverbrennungsraum erfolgt dann die endgültige Verbrennung des Treibstoffes.The fuel ignited in the antechamber i drives the fuel that is still unburned Fuel content with simultaneous evaporation and processing of the same on hot insert 7 in the main combustion chamber, being inclined and curved Web 13 exert the desired twisting effect. Then takes place in the main combustion chamber the final combustion of the fuel.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Self-igniting, air-compressing internal combustion engine, at the end of the compression stroke liquid fuel in a symmetrical arranged to the injection nozzle axis, in its part facing the cylinder chamber an antechamber provided with an insert is injected and in which this Insert piece has a central opening and an outer,. annular around the central opening has arranged passage cross-section, wherein the injected fuel jet is directed towards the central opening and with its largest diameter approximately touches the wall of the central bore, characterized in that the central opening (9) of the insert (7) has a smaller cross-sectional area than the annular Opening (i i), that also the wall of the central opening (9) in cross section in the Way is teardrop-shaped that it extends in the direction of the cylinder space tapers out and that also the boundary line of the outer wall of the annular Opening (ii) runs approximately after a hyperbola, which into the combustion chamber wall or the Cylinder head base goes over, so that the main part of the air compressed by the piston without significant resistance via the annular opening (i i) into the combustion chamber (i) flows, while the air flowing through the central opening (9) is only relatively low speed on the fuel jet and therefore a split the same prevented. a. Self-igniting, air-compressing internal combustion engine according to Claim i, characterized in that the outer ring cross-section (i i) of the insert (7) is interrupted in such a way by several webs known per se that the at the incipient combustion from the antechamber through the spaces between the webs Flowing partially burned fuel-air mixture is given a swirling motion will. 3. Self-igniting, air-compressing internal combustion engine according to claim 2, characterized characterized in that the webs (i i) are arcuate and in the longitudinal direction of the insert (7) run obliquely. Printed publications: German Patent No. 697 Zoo, 854 716; Austrian patent specification No. 99 525.