DE976295C

DE976295C - Brennkraftmaschine mit Brennstoffeinspritzung in einem im Kolben befindlichen Brennraum, in dem ein Einsatzkoerper angebracht ist

Info

Publication number: DE976295C
Application number: DEM23473A
Authority: DE
Inventors: Willi Nips
Original assignee: Motoren Werke Mannheim AG
Current assignee: Caterpillar Energy Solutions GmbH
Priority date: 1954-06-20
Filing date: 1954-06-20
Publication date: 1963-06-20

Description

Brennkraftmaschine mit Brennstoffeinspritzung in einem im Kolben befindlichen Brennraum, in dem ein Einsatzkörper angebracht ist Die Erfindung bezieht sich auf eine selbstzündende, luftverdichtende Brennkraftmaschine mit Brennstoffeinspritzung aus einer Einlochdüse in einen im Kolben befindlichen Brennraum, der am Ende des Verdichtungshubes im wesentlichen die gesamte Verbrennungsluft aufnimmt und über eine eingeschnürte Öffnung mit dem Zylinderraum verbunden ist.
Derartige Maschinen weisen günstigen Brennstoffverbrauch und gutes Startverhalten auf, besitzen aber gegenüber Motoren mit abgeteiltem Verbrennungsraum (Vorkammer, Wirbelkammer) den Nachteil einer größeren Geräuschbildung. Das Geräusch ist besonders im Leerlauf stark hörbar und wird in der Fachsprache als »Nageln« bezeichnet. Man hat erkannt, daß die Größe des Zündverzuges bestimmend ist für das Auftreten des Nagelns und daß es zur Vermeidung desselben notwendig ist, den Zündverzug klein zu halten. Dieses möglichst frühzeitige Zünden des Brennstoffes kann man erreichen, indem man den Brerinstoffstrahl eine sogenannte Aufbereitungsstrecke passieren läßt, wo er durch die Berührung mit heißen Brennraumwandungen oder Einsätzen verdampft und damit zündfähig wird. Für Vorkammermaschinen sind derartige Einsätze, die sich innerhalb der Vorkammer oder an ihrem Austritt befinden können, in verschiedenen Ausführungen bekanntgeworden. Mit diesen Einsätzen war es möglich, das Leerlaufnageln bei Vorkammermaschinen erheblich zu verringern. Für Motoren mit Kolbenbrennraum gibt es jedoch noch keine brauchbare Lösung einer Anordnung eines Einsatzes zur Verhinderung des Nagelns, da hier die Verhältnisse für die Anbringung eines E, insatzes wesentlich ungünstiger sind, und zwar aus folgenden Gründen: Da der Verbrennungsraum bei Maschinen, für welche die Erfindung vorgesehen ist, im wesentlichen im Kolben untergebracht und durch eine eingeschnürte Öffnung mit dem Zylinderraum verbunden ist, muß der Einsatz im Innern des Brennraumes am Kolben befestigt werden. Diese Befesti-gung muß zwei Forderungen erfüllen. Sie muß erstens keine allzu große Wärmeableitung zum Kolben hin verursachen und zweitens den hoben wechselnden, von der Kolbenbeschleunigung herrührenden Kräften, die noch durch Beanspruchungen auf Grund von Temperaturschwankungen verstärkt werden, gewachsen sein. Die erste Forderung bedingt einen möglichst kleinen Querschnitt des Einsatzes an der Befestigungsstelle, die zweite Forderung einen möglichs t großen Querschnitt am gleichen Ort. Weiter ist noch zu erwähnen, daß der Einfluß der Relativbewegung zwischen Brennstoffstrahl und Einsatz berücksichtigt werden muß.
Die Aufgabe der Erfindung besteht demnach darin, einen Einsatz für einen Kolbenbrennratim zu schaffen, dessen Wärmeableitungsquerschnitte zum Kolben einerseits so klein sind, daß der Einsatz eine für eine wesentliche Verringerung des Zündverzug es ausreichende Temperatur im Betrieb annimmt, und dessen Befestigungsglieder andererseits ein Lockerwerden im Betrieb mit Sicherheit verhüten. Weiter soll der Einsatz das Kolbengewicht nur wenig vergrößern und möglichst schnell seine Betriebstemperatur erreichen.
Diese Aufgabe wird gemäß einer ersten Ausführungsforni der Erfindung dadurch gelöst, daß im Inneren des Brennraurnes ein hohler, länglicher Eiti5atz, dessen Mittelachse im oberen Totpunkt mit der Einspritzdüsenachse zusammenfällt und dessen Oberfläche der hohlkegeligen Gestalt des Brennstoffstrahles angepaßt ist, so daß der Brennstoffstrahl an der Oberfläche des Einsatzes ohne Berührung vorbeistreicht, mit seinem der Einspritzdüse abgewandten Fuß in den Kolben eingegossen ist, wobei der die Wärmeableitung und Befestigung des Einsatzes im Kolben bewirkende Querschnitt so bemessen ist, daß der Einsatz im Betrieb eine Temperatur annimmt, die den Brennstoff mindestens teilweise zur Verdarnpfung bringt.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindun- wird die vorgenannte Aufgabe dadurch ge-12, ZD löst, daß im Inneren des Brennraumes ein länglicher Einsatz mit konkavem Querschnitt, dessen Innenfläche von der Mittelachse des Brennstoffstrahles im oberen Totpunkt unter einem spitzen Winkel getroffen wird, im Boden des Brennraumes und am Rande seiner Öffnung im Kolben eingegossen ist, wobei die die Wärmeleitung und Befesti-- ng des Einsatzes im Kolben bewirkenden Ouerib U t' schnitte so bemessen sind, daß der Einsatz im Betrieb eine Temperatur annimmt, die den Brennstoff mindestens teilweise zur Verdampfung bringt.
Durch beide Gestaltungen werden Wärmeableitun- und Gewicht verringert, ohne daß die Sicherheit der Befestigung am Kolben leidet. Infolge ihrer geringen Masse erreichen die Einsätze schnell ihre Betriebstemperatur, so daß günstige, Kaltstarteigenschaften erreicht werden.
Durch die zweite Ausführungsform der Erfindung wird dafür gesorgt, daß der Einsatz den Weg des Brennstoffstrahles nicht kreuzt und so keine unerwünschte Ablenkung des Strahles bewirkt. Der Brennstoffstrahl trifft bei dieser Ausführung im spitzen Winkel auf die Innenseite des Einsatzes, was den Vorteil hat, daß die Brennstofftröpfchen nicht abprallen, so daß sie auf ihrem gesamten Weg der Wärme des Einsatzes ausgesetzt 'sind und hierdurch sehr schnell und wirksarn aufbereitet und verdampft und damit zündfähig werden. Die zweite Ausführungsform der Erfindung sieht die Befestigung des Einsatzes an zwei Stellen vor, wodurch die Haltbarkeit der Befestigung gesteigert wird.
Alle Ausführungsformen der Erfindung sind auf die Verwendung einer Einlochdüse, vorzugsweise einer Drosselzapfendüse, zugeschnitten, die ein Höchstmaß von Unempfindlichkeit an diesem wichtigen Bauteil ergibt.
Die Zeichnung stellt zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dar.
Fig. i zeigt einen Schnitt längs der Kolbenmittelachse durch den Brennraum mit einem gemäß der ersten Ausf ührungsforrn der E rfindung gestalteten Einsatz und die Lage der Einspritzdüse zum Brennraum im oberen Totpunkt; Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch den Einsatz gemäß Fig. i längs der strichpunktiertell Linie A-B; Fig. 3 zeigt eine kürzere Ausführung des Einsatzes gemäß Fig. i; Fig. 4 zeigt einen Schnitt längs der Kolbenmittelachse durch den Brennraurn, der mit einem gemäß der zweiten Ausführungsforin der Erfindung gestalteten Einsatz versehen ist; Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch den E insatz gemäß Fig. 4 längs der Linie C-D.
In der Fig. i der Zeichnung befindet sich in dein Kolben i ein Brerinraum 3, der die Form eines Rotationsellipsoides, das durch Rotation uni die Achse 6 entstanden ist, aufweist. Durch die Öff- nung 4 strömt die Verbrennungsluft beim Verdichtungshub in Pfeilrichtung 5 ein, wobei diese Strömung die Vermischung des aus der Eiiispritzdüse 2 eingespritzten Brennstoffes mit der Verbrennungsluft bewirkt. Die Strömung setzt sich an den Brennratunwänden in Pfeilrichtung 7 fort. Im Kolben i ist der Einsatz 8 mittels eines geeigneten Fußes 9 eingegossen, so daß seine Mittelachse 14 mit der Düsenmittelachse zusaminenfällt. Der Glüheinsatz 8 ist an seinem der Düse 2 zugewandten Ende so geformt, daß der Brennstoffstrahl io ihn nicht berührt. An seinem befestigungsseitigen Ende ist der Einsatz 8 im Durchmesser kleiner ausgeführt, damit er der Strömung 7 einen möglichst geringen Widerstand bietet und damit der die Ab- leitung der aufgenommenen Wärme zum Kolben i hin bewirkende Querschnitt 15 möglichst klein wird. Die Form des Querschnitts 15 ist in Fig. 2 gezeigt. Diesem Zweckdienen. auch der Hohlraum i i und die Bohrungen 12. Diese Querschnittsbemessung unterstützt die Auf rechterhaltung des oben beschriebenen vorteilhaften Wärrnezustandes über den gesamten Belastungsbereich. Fig. 3 zeigt eine andere kürzere Form des Glüheinsatzes 1 3, die dort am Platze ist, wenn der Hohlraum des Brennstoffstrahles nicht frei von Brennstofftropfen ist.
In Fig. 4 ist die zweite Ausführungsforin der EIrfindung dargestellt. Der im Kolben i liegende Brennraun' 3 besitzt die gleiche Form und Lage wie der in Fig. i gezeigte. Der Einsatz 16 hat den in Fig. 5 gezeigten halbkreisförmigen Querschnitt 17 und ist im Kolben i mit seinem Fuß 18 im Boden ig und mit seiner Spitze2o am Rande der Üffnun- 4 eingegossen. Die Einspritzdüse 2 ist wiederum in ihrer Lage zum Brennraum 3 im oberen Totpunkt dargestellt. Der Einsatz 16 und die Einspritzdüse ?, liegen in einer gemeinsamen Ebene. Der aus ihr austretende Brennstoffstrahl 21, der bei dieser Ausführungsart der Erfindung einen kleinen Spritzwinkel und ein von Brennstofftröpfchen erfülltes Innere besitzt, trifft den Einsatz 16 an dessen konkaver Innenseite 23 etwa in Einsatzmitte derart, daß seine MittelachSe 22 einen Winkel a mit der Oberfläche der Einsatzinnenseite:23 bildet. Die Größe dieses Winkels liegt vorzugsweise unter io'. Der Halbmesser 24 der Innenseite 23 des Einsatzes 16 beträgt etwa die Hälfte des Durchmesssers des Brennstoffstrahles 21, gemessen an der Stelle, wo seine MittelachSe 22 die Oberfläche der Innenseite 23 schneidet. Die zur Ableitung der von dem Einsatz 16 aufgenommenen Wärme zum Kolben i dienenden Querschnitte 25 und 26 sind so bemessen, (laß die Temperatur des Einsatzes 16 niedriger liegt als die Temperatur des Einsatzes 8. Da im letztgenannten Fall der Drennstoffstrahl ;31 den Einsatz berührt, genügt eine verminderte Temperatur, um die gewünschte Verdampfung und Aufbereitung zu erzielen. Die Einsätze 8 und 16 werden ans hitze-und zunderbeständigern Werkstoff hergestellt. Auch die Verwendung von Werkstoffen, die eine katalytische Wirkung bei der Aufbereitung des Brennstoffes ausüben können, ist möglich.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellte Form des Kolbenbrennraumes und der Düsenlage be- schränkt. Es können auch andere, beispielsweise nlittig zur Kolbenachse angeordnete Formen, z. B. Kugelbrennräume, und auch parallel zur Kolbenacbse oder mit ihr zusammenfallende Lagen der Düsenachse vorgesehen werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Selbstzündende, luftverdichtende Brennkraftrnaschine mit Brennstoffeinspritzung aus einer Einlochdüse in einen im Kolben befindlichen Brennraum, der am Ende des Verdichtungshubes im wesentlichen die gesamte Verbreimungsluft aufnimmt und über eine eingeschnürte Öffnung mit dem Zylinderraum verbunden, ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Brennraumes (3) ein hohler, länglicher Einsatz (8), dessen Mittelachse (14) im oberen TotpunktmitderEinspritzdüsenachsezusammenfällt und dessen Oberfläche der hohlkegeligen Gestalt des Brenristoffstrahles angepaßt ist, so daß der Brennstoffstrahl an der Oberfläche des Einsatzes (8) ohne Berührung vorbeistreicht, mit seinem der Einspritzdüse (:2) abgewandten Fuß (9) in den Kolben (i) eingegossen ist, wobei der die Wärmeableitung und Befestigung des Einsatzes (8) im Kolben (i) bewirkende Querschnitt (15) so bemessen ist, daß der Einsatz (8) im Betrieb eine Temperatur annimnit, die den Brennstoff inindestensteilweisezurVerdampfungbringt.
2. Selbstzündende, luftverdichtende Brennkraftniaschine mit Brennstoffeinspritzung aus einer Einlochdüse in einen im Kolben befindlichen Brennraum, der am Ende des Verdichtungshubes im wesentlichen die gesamte Verbrennungsluft aufnimmt und über eine eingeschnürte: Öffnung mit dem Zylinderraum verbunden. ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Brennraumes (3) ein länglicher Ein-Satz (16) mit konkavein Querschnitt (17), dessen Innenfläche (23) von der Mittelachse (22) des Breillistoffstrahles (21) im oberen Totpunkt unter einem spitzen Winkel (a) getroffen wird, im Boden (ig) des Brennrauines (3) und am Rande seiner öffnung (4) im Kolben eingegossen ist, wobei die die Wärmeleitung und Befestigung des Einsatzes (16) im Kolben (i) bewirkenden Querschnitte (25, 26) so beniessen sind, daß der Einsatz (16) im Betrieb eine Temperatur anninmit, die den Brennstoff 1-nindestens teilweise zur Verdampfung bringt. 3. Brennkraftrnaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (16) im Bereich des Brenn,#,toffstrahles (21) einen halbkreisförmigen Querschnitt (17) aufweist. 4. Brennkraftmaschine nach Anspruch:2, dadurch gekennzeichnet, daß der Auftreffwinkel (a) unter i o' liegt. 5. Breiinkraftniaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, (laß die Mittelachse (2-2) des BrennstoffstrahleS (21) die Innenfläche (23) etwa in der -Mitte des Einsatzes (16) im oberen Totpunkt durchdringt. 6, Brennkraftmaschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet daß der Einsatz (8) mit seitlichen Bohrungel; (12) versehen ist, die seinen Wärineableitquerschnitt verkleinern. 7. Brennkraftmaschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet. daß der Einsatz (8) in der Nähe des Fußes (9) einen kleineren Durchniesser als in seinem mittleren Teil aufweist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 242 351, 2,48 664, 271397. 395 207, 448 159, 478 930, 486 963, 498 699, 676 997, 702 346; österreichische Patentschrift Nr. 143 553; französische Patentschrift Nr. 42f 833; britische Patentschrift Nr. 554 093.