DE972030C - Luftverdichtende Viertaktbrennkraftmaschine mit im Zylinderkopf haengend angeordneten Ventilen - Google Patents

Description

• Luftverdichtende Viertaktbrennkraftmaschine mit im Zylinderkopf hängend angeordneten Ventilen Die Erfindung bezieht sich auf eine luftverdichtende Viertaktbrennkraftmaschine mit im Zylinderkopf hängend angeordneten Ventilen, bei der der Brennstoff gegen Ende des Verdichtungshubes mittels einer schräg seitlich im Zylinderkopf angeordneten Einspritzdüse -in Form eines Kernstrahles mit einem den Strahlkern umgebenden Tröpfchenschleier in einen Brennraum eingespritzt wird, der am Ende des Verdichtungshubes. im wesentlichen die gesamte Verbrennungsluft aufnimmt und als Rotationsellipsoid mit derZylinderachsealsRotationgachs,e gestaltet sowie durch eine tYberströmöffnung mit eingezogenem Rand mit dem Hubraum verbunden ist.
• Die Erfindung bedaßt sich hauptsächlich rilit der Gestalt und Lage der Verbind-ungsöffnung vom Kolbenbrennratim zum Zylinderraum. Diese Öff- nungen werden meist rund oder oval ansgeführt, wobei die Öffnung zatweder zur Düse hin versetzt ist oder- mittig zum Kolbenbreimraum liegt oder auch von der Dü.se weg versetzt s# kaim. In den beiden letztgenannten Fällen wird meist eine Au#snehmung an dem eingezogenen Rand der Öffnung angeordnet, damiit der Brennstoff strahl, ohne auf den Kolbenboden zu treffen, in den Kolbenbrennrauin gelangen kann., Die einseitige- Versetzung der Öffnung, die mit dner gleichsiniügen Versetzung des Kolbenbrennraumüs zugleich angewendet werden kann, ergibt bei Annäherung des Kolbens an den Totpunkt infGIge der ungleichen Luftverdrängung aus dem Zylinderraum eine, einseitig gerichtüte Strömung in den Kolben-brennraum, die beispielsweise den Bremistoffstrahl in einem Winikel trifft und völlig durchsetzt. Die aus dem Zylinderraum verdrängte Luft strömt, von oben auf den Kolben gesehen, senkrecht zu einer durch den betrachteten Punkt auf den Öffnungsrand gelegten -Tangente über den eingezogenen Rand der Öffnung in das Kolbeninnere, d.- h., #s entstehen bei einer runden Öffnung viele im lißreich. des Randes auf den Mittelpunkt derselben gerichtete., Luftströmungen. Bei konvex geformtem Randverlauf, welcher bei der abgerundeten Einmündung der obenerwähnten Ausnehmungen in eine runde oder ovale Öff- nung auftritt, ergeben sich auseinanderstrebende Strömungsrichtungen. Wenn die Verbindungsöffn-ung in der.Zylinderachse liegt, biegt die Luftströmung kurz nach Verlassen des einüezogenen Randes der öffnung in den Kolben.bT;en.nTaum ab, während b6 einseitiger Öffnungslage die größere verdrängte Luftmenge den kleineren Mengen ihre Richtung aufz7wingt.
• Es ist bekannt, den Zünddruck einer Dieselinaschine der Gattung, von der dieErfindungausgeht, sowohl in bezug auf seine absolute Größe als auch in bezug auf die Geschwindigkeit des Druckanstieges im Sinne einer möglichst geringen Belastung des Triebwerkes und eines möglichst ruhigen Laufes der Maschine dadurch zu beeinflussen, daß eine innige und vollständige Vermischung der in den Brennraum eintretenden Luft mit dem eingespritzten Brennstoff vor dem Zündzeitpunkt verhindert wird.
• Bei der bekannten Dieselmaschine7 wird diese Forderung dadurch erfüllt, daß - der Brennstoffstrahl nur eine Zone des Kolbenbrennraumes erfaßt und nur in dieser Zone eine innige Mijchung -von Brennstoff und Luft stattfindet. Die in diesem Brentiraurnteil unter Luftmangel eingeleitete Verbrennung pflanzt sich sodann in den vom Brennstoffstrahl nicht erfaßten Brennraumteil fort, wodurch eine gewisse Verlangsamung Ales Verbrennungsablaufes erzielt wird. Nachteilig ist jedoch, daß der Kolbenbrennraum bei der bekannten Maschine bei seitlicher Anordnung der Einspritzdüse gegenüber der Kolbenachse stark versetzt ' im Kolben liegt. Eine derartige Versetzung führt zu einseitigenDeformationen desKolbens undvermindert dadurch dessen Wärtnebelastbarkeit. Beim Erfindungsgegenstand ist dagegen keine Versetzung des Kolbenbrennraumes vorgesehen. Die mittige Lage des Brennraumes im Kolben wirkt sich nicht nur günstig auf dessen Haltbarkeit und auf das ganze Verhalten der Maschine hinsichtlich Ölverbrauch und Laufruhe (kleines Kolbenspiel) sowie die Betriebssicherheit gegen Kolbenfresser bei Überlast aus, sondern der erfindungsgemäße Brennraum ist auch hinsichtlich seiner Wirkung fortschrittlicher, wie im Zusammenhang mit der Beschreibung der Wirkungsweise noch näher erläutert wird.
• Erfindungsgemäß wird angestrebt, den in Form eiiies geschlossenen Kernstrahles eingespritzten Brennstoff lediglich im Bereich des ihn umgebenden feinen' Tröpfchenschleiers durch die über den Rand der Brennrautnöffnung in den Brennraum einbiegende Quetschströmung zu erfassen. Dadurch verbrennt der den Tröpfchenschleier bildende kleine Anteil der Einspritzmenge mit sehr kurzem Zündverzug und bewirkt eine Temperatursteigerung bei geringer Drucksteigerung im Brennraum, worauf der Kernstrahl im wesentlichen gesteuert verbrennt. Auf diese Weise wird die bei kleinen schnellaufenden Maschinen mit einer einheitlichen, im wesentlichen vor der Zündung beendeten Gemischbildung auftretende starke und schnelle Drucksteigerung vermieden, und der Verbrennungsvorgang ähnelt mehr demjenigen langsamlatifender Maschinen mit direkter Einspritzung, bei denen dieVerbrennung gesteuert, d. h. durch den Mengenverlauf des pro Kurbelwinkeleinheit eingespritzten Brennstoffes beeinflußt, abläuft.
• Diese Aufgabe wird nach dem Vorschlag der Erfindung bei einer Viertaktbrennkräftmaschine der eingangs erwähnten Gattung dadurch gelöst, daß die Überströmöffnung, auf den Kolben gesehen, den Umriß eines gleichseitigen Dreiecks mit leicht abgerundeten Ecken'aufweist, dessen eine Mittelsenkrechte in einer Ebene mit der Düsenachse liegt, und daß die Lage der Überströmöffnung in der Stirnfläche des Kolbens so gewählt ist, daß der Mittelpunkt eines in das gleichseitige Dreieck einbeschriebenen Kreises in der Kolbenachse oder mit Bezug auf diese in Richtung auf die Düse nur unwesentlich versetzt liegt. Hierdurch wird ermöglicht, daß die unter dem Einfluß der Annäherung des Kolbeüs in den Brennraum in Form von drei Luftwalzen verdrängte Luft den der jeweiligen Öffnungskante benach'Darten Teil des Streustrahlkegels trifft, ohne den Kernstrahl aufzuspalten.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfind#ing ist vorgesehen, daß der Luftinhalt des Brennraumes auf der der Düse zugelegenen Seite etwas größer als auf der entgegengesetzten Seite ist.
• Die Ächse des Brennstoffstrahles schneidet in der oberen Totpunktstellung des Kolbens zweckmäßig die große Achse des den Brennraum bildenden Rotationsellipso;des in einem Punkt, der lotrecht unter dem Mittelpunkt des in das gleichachsige Dreieck einbeschriebenen Kreises liegt. Die Zeichnung zeigt in Fig. i einen Schnitt durch* den kolben einer Brennkraftmaschine, längs der Linie A-B in Fig. :2. wobei die. Lage- der Einspritzdüse zum Kolbenbrennraum im Augenblick der oberen To'tpunktlage dargestellt ist, Fig. 2 zeigt die Draufsicht auf den in Fig. i gezeigten Kolben mit strichpunktiert dargestelltem Einlaß und Auslaßventil und den zugehörigen Ventilkanälen.
• In Fig. i befindet sich in dem Kolben i' ein Brennraum 2, welcher annähernd die Form eine.9 Rotationsellipsoides aufweist. Die erzeugende Fläche weicht insofern etwas von der Ellipsenform ab, als ihr in der Zei,(#hnung rechts von der Kolbenmittelachse 3 befindlicher Teil eine etwas größere Fläche besitzt als der links liegende Teil. Die Umrißform des Brennraumes 2 ist demnach kein reiner Rotationskörper mehr, denn Scluütte, die in, mehreren senkrecht zur Achse 3 liegenden Ebenen geführt sind, haben zwar in der Draufsticht kreisför-mige Gestalt, die Mittelpunkte dieser Kreise liegen ab-.v nicht alle auf der Kolbenmittelachse3. Ein längs der großen Achse 4 in einer senkrecht zur Achse 3 liegenden Ebene geführter Schnitt hat die Form eines Kreises, dessen Mittelpunkt mit der Achse 3 zusammenfällt, wie er in Fig. 2 gestrichelt dargestellt ist. Der Kolbenbrennraum 2 ist durch eine Öffnung 5 mit dem Zylinderraum 6 verbunden. Die Öffnung 5 besitzt in der Ansicht auf den Kolbenboden die Gestalt eines etwa gleichseitigien Dreiecks mit leicht abgerundeten Ecken 15. Die Lage der Öffnung ist so gewählt, daß ein einbeschriebener Kreis 7, der alle drei Seiten berührt, seinen Mittelpunkt 8 auf der Linie A-B entweder im Kolbenmittelpunkt oder etwais zur Düse hin fi#ndet. Eine leichte Verschiebung zur Düse hin, die aus Gründen der Unterbringungsmöglichkeit notwendig sein kann, scheint die Wirkung nicht nachteilig zu be# einflussen. Die Achse 9 der Düse io verläuft in einer längs der Linie A-B durch die Achse 3 gelegten Ebene und ist so geneigt, daß sie die große, Achse 4 in dem Abstand von der Achse 3 gemessen auf der Linie A-B schneidet, den der Mittelpunkt 8 des Kreises 7 von. der Achse 3 hat. Gewisse, kleine #'erschiebungen von Mittelpunkt 8 gegenüber der Achse 9 stören die Wirkung dererfindungsgemäßen Ein,richtung nicht merklich. Die Wände i i der Öff- nung 5 verlaufen parallel zur Achse 3. Eine auf der-Seite 12 des Öffnungsdreiecks. errichtete Mittels#un,1,riechte 14 verläuft in der Ebene:, in der rlie Düsenachse 9 liegt. Die Abrundungen 15 des Ohnungsdreiecks sind so gewählt, daß eine möglichst große gerade Länge der Seiten, 12 und 13 entsteht, jedoch keine Kürbiwirkung auf den Werkstoff des Kolbens ausgeübt wird. Die Radien der Abrundlingc" 15 können verschieden sein, z. B. kann die unter dem Brennistoffstraihl 16 liegende Abrundung der Form dessell#en weitgehend angepaßt sein. Der Brtniistoffstrahl besteht aus einem Kernstrahl 16 von etwa 7ylindrischer Gestalt der von kegelföriiiigern Schleier 17 feinster Brennstofftröpfchen umgeben ist.
• Der BrentirauM 2 enthält am Ende des Verdichtungshubes, abgesehen von einem durch den Sicherheitsabstand des Kolbens und, den Totraum an der Düsenmündung bedingten Restvolurnen, die gesamte Verbrennungsluft. Die Fläche der Öff- nung 5 verhält sich zum größten Querschnitt des Brennraumes, gemessen in einer Ebene, die durch die große Achse 4 para.11,e#l zur Kolbenoberfläche verläuft, etwa wie 1:4. Die kleine Achse iS des Bre-unra,umes verhält sIch zur großen Aeltse4 etwa Wie 2:3.
• Die Wirkungsweise der vorstehend beschriebenen Brennrautnanordnung ist folgende: Bei Annäherung des Kolbens i an den Boden ig des ZylinderkopfeS 20 wird die Luft aus dem Zylinderraum 6 in den Kolbenbrennraurn 2 verdrängt. DavorherbeirnAnsaugen,bedingtdurchdieLagedes EinlaßventilS 22 und des zugehörigen Kanals 23, eine Luftdrehung in Richtung des Pfeiles 21 entstanden ist, die sich über den Verdichtungshuh fortsetzt, verläuft der Weg der Luftteilchen auf der Kolbenstirnseite etwa in Richtung der Pfeile 24 der Fig. 2 und die Luftregelung im Innern des Brennraumes etwa in Richtung der Pfeile 26 der Fig. i. Die in den Kolbenbrennraum 2 verdrängte Luft bildet im wesentlichen drei Luftwalzen, deren Achsen etwa mit den Dreieckseiten 12 und 13 zusammenfallen. Die Lage der erwähnten Dreieckseiten ist so gewählt, daß die an der Seite 12 entstehende Luftwalze den Streustrahlkegel 17 an seiner Oberseite erfaßt, während die an den Seiten 13 entstandenen Luftwalzen den Streustrahlkegel seitlich unterhalb des Öffnungsrandes erfassen. ohne den Kernstrahl 16 aufzuspalten. Bei einer als gegeben anzusehenden Tröpfchengröße und Zündwilligkeit des Brennstoffes hängt der Zündverzug im wesentlichen von der Temperatur und der Strömungsgeschwindigkeit der auf den Tröpfchenschleier treffenden Luft ab. Sowolil dieTemperatur als auch die Strömungsgeschwindigkeit ist im Bereich der drei Luftwalzen am höchsten, so daß die erfaßte Teilmenge nach sehr kurzem Zündverzug zündet. Hierdurch entsteht eine Temperaturerhöhung im Brennraum, die bewirkt, (faß die während des Zündverzuges eingespritzte , Teilmenge des Kernstrahles ebenfalls fast augenblicklich- zündet. Diese ungesteuert verbrennenden Teilmengen sind aber so klein, daß die entstehende Drucksteigerung sowohl in bezug auf die Höhe des Spitzendruckes als auch in bezug auf die Druckanstiegsgeschwindigkeit erträglich bleibt. Die im weiteren Verlauf des Einspritzvorganges in den Brennraum gelangenden Brennstoffmengen verbrennen mit der im Kolbenbrennraum befindlichen Luft, gesteuert durch den Mengenverlauf der Einspritzung, mit unmeßbar kleinem Zündverzug. Da der Kolben inzwischen den oberen Totpunkt durchlaufen hat, treten die heißen Gase in den Zylinderraum aus und treiben den Kolben, sich entspannend und dabei Arbeit leistend, nach unten.
• Vergleicht man den geschilderten Arbeitsablauf mit demjenigen der bekannten 11aschine gleicher Gattung, so ist zu erkennen, daß dort der Kernstrahl von der durch den verengten Teil der Öff- nung einströmenden Luft erfaßt wird und sich erst mit der Luft vermischen muß, bis die Zündung in einem Teil des Kolbenbrennraumes erfolgt, in dem sich die Luft schon an den Wänden abgekühlt und ihre hohe Geschwindigkeit verloren hat. Dahe-. dürfte der Zündverzug bei diesem bekannten Verfahren länger sein. Dadurch ergibt sich ein größerer ungesteuert verbrennender Anteil der gesamten l-#-inspritzmenge und infolgedessen ein stärkerer Druckanstieg. Die an der kreisförmigen Partie der Öffnung einströmende Luft erfaßt den Streustrahlkegel fast überhaupt nicht, da die Quetschströmung zu weit entfernt in den Kolbenbrennraum abbiegt. Dieser Luftanteil kann daher nicht, wie beim Erfindungsgegenstand, zür Verkürzung"des Zündverzuges beitragen.
• Außerdem muß noch bemerkt werden, daß die vorstehend beschriebene Anordnung. auch ohne Vorrotation der Luft--im Zylinderraum und auch mit entgegengesetzter Luftdrehung arbeiten könnte, da die Einströmkanten symmetrisch in bezug auf den Zylinderumfang angeordnet sind.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE-i. Luftverdichtende Viertaktbrennkraftmaschine mif im Zylinderkopf hängend angeordneten Ventilen, bei der der Brennstoff gegen Ende des Verdichtungshubes mittels einer schräg seitlich im Zylinderkopf angeordneten Einspritzdüse in Form eines Kernstra2es mit einem den Strahlkern umgebenden Tröpfchenschleier in einen Brennraum eingespritzt wird, der am Ende des Verdichtungshubes -im wesentlichen di# gesamte Verbrennungsluft aufnimmt und als Rotationsellipsoid mit der Zylinderachse als Rotationsachse gestaltet sowie durch eine Überströmöffnung mit eingezogenem Rand mit dem Hubraum verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Überströmöffnung (5), auf den Kolben (i) gesehen, den Umriß eines gleichseitigen Dreiecks mit leicht ab,-r-rundeten Ecken (15) aufweist, dessen eine Mittelsenkrechte in einer Ebene mit der Düsenachse (9) liegt, und daß die Lage der Überströmöffnung in der Stirnfläche des Kolbens so gewählt ist. daß der Mittelpunkt (8) eines in das gleichseitige Dreieck einbeschriebenen Kreises in der Kolbenachse (3) oder mit Bezug auf diese in Richtung auf die Düse (io) nur unwesentlich versetzt liegt. .
2. 2. Viertaktbrennkraftmaschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftinhalt des Brennraunies (2) auf der der Düse (io) zugelegenen Seite etwas größer als auf der entgegengesetzten Seife ist. 3. Viertaktbrennkraftmaschine nach Anspruch i oder :z, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (9) des Brennstoffstrahles in der oberen Totpunktstellung des Kolbens (2) die große Achse (4) des den Brennraum (2) bildenden Rotationsellipsoides in einem Punkt schneidet, der lotrecht unter dem Mittelpunkt (8) des in das gleichseitige Dreieck einbeschriebenen Kreises liegt.
3. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 873.772, 749 607, 491 40, :251 983; schweizerische Patentschriften Nr. 296 441, :2 17 143, 2#i 6 497, 2 14 102; britische Patentschrift Nr. 394 403.