NO123314B - - Google Patents

Description

Selvtennende, luftkoniprimerende forbrenningsmotorer.

Oppfinnelsen vedrører selvtennende, luftkomprimerende forbrenningsmotorer

med et forkammer som i sin mot syylinder-rommet vendende del har et innsattsstykke som består av en midtre åpning og et ved steg oppdelt ytre gjennomgangstverrsnitt, idet den innsprøytede brennstoffstråle omtrent berører midtåpningens vegg.

Oppfinnelsen går ut på å innstille temperaturene av de deler som kommer i berøring med den innsprøytede brennstoffstråle og med den under kompresjonsslaget i forkammeret innstrømmende luft på en sådan måte at der inne i den midtre åpning finner sted en tenning av det innsprøytede brennstoff med meget kortvarig tenningsforløp, og en tilsluttende langsom forbrenning med en trykkøkning inntil 60—65 kg/cm2 ved en trykkøknings-hastighet på ca. 2 kg/cm-' pr. grad veivinkel, uavhengig av cetantallet (tennings-villighet) av det innsprøytede brennstoff og uten at kaldstartforholdet i sammen-likning med et normalt forkammer blir dårligere. De foran angitte verdier kjenne-tegner en tilstand som alltid tilstrebes ved utformingen av forbrenningsrom i diselmotorer, men aldri ble helt oppnådd. Ten-ningstrykkets maksimumverdi på 60-65 kg/ cm2 representerer ved et for små hurtig-i første rekke kommer i betraktning, nød-løpende diselmotorer for hvilke oppfinnelsen i første rekke kommer i betraktning, nødvendig kompresj onsforhold på ca. 1 : 20, det oppnåelige minimum av trykk-belastning på drivverket.

Den lille trykkøkningshastighet på 2

kg/cm- pr. veivinkel senker den lyd som

skyldes forbrenningsstøyen under støy-nivået ved de vanlige støydannere som ventiler, stempler, tannhjul osv. Den til-strebte uavhengighet av brennstoffets cetantall er nødvendig for uten vanskeligheter å kunne arbeide med alle flytende kull-vannstoffer, også bensin med høyt oktan-tall, hvis cetantallet ligger meget lavt. Ved denne drivstoffuavhengighet blir disel-motorens anvendelsesområde utvidet i be-tydelig grad.

Der kjennes diselmotorer som til-nærmet oppfyller de foran angitte krav. Den ved de kjente maskiner anvendte for-brenningsmetode arbeider med en film-aktig brennstoffpåføring på veggene av et i stempelet beliggende forbrenningsrom som holdes på en temperatur av ca. 350° C. Ulempen ved denne metode er at en kaldstart bare er mulig ved hjelp av et luftoppvarmingsanlegg som oppvarmer forbrenningsluften ca. 60° C så at den nød-, vendige temperatur av forbrenningsrom-veggene oppnås. Et slikt anlegg er av plass-og omkostningshensyn alltid for kostbart for mindre motorer, for hvilke oppfinnelsen i særlig grad kommer til anvendelse. Det dårligere kaldstartforhold av en driv-stoffilm som må fordampes av forbren-ningsromveggenes varme, betinger videre tilstedværelsen av en flerhulldyse som for-uten filmstrålen leverer en tenningsstråle, og dessuten en startmengdeinnstilling av innsprøytningspumpen på 180 pst. av full-lastmengden. Disse avvikelser betinger både at man forlater de idag allerede stan-dardiserte innsprøytningsinnretninger (en for reservedeltjenesten tungtveiende ulem-pe), og en øket følsomhet av dysen i sam-menlikning med de normalt ved små diselmotorer anvendte robuste tappdyser.

For videre å løse den ovenfor forklarte oppfinnelsesoppgave ble der slått inn på helt andre veier, som intet har til felles med de kjente løsninger og som ikke bare unngår ulempene ved disse, men dessuten medfører en overraskende forbedring av kaldstartforholdet. Kaldstartforholdet av forbrenningsrommet i henhold til oppfinnelsen overtreffer kaldstartforholdet ved den normale forkammermetode og nærmer seg de verdier som oppnås ved direkte innsprøytning med enhetlig forbrenningsrom. Det er mulig å igangsette forbren-ningsmotoren i henhold til oppfinnelsen med en normal starter uten noen start-hjelp ved temperaturer inntil —10° C. Under denne temperatur er en kort for-glødning ved hjelp av en elektrisk gløde-plugg eller tennpapir nødvendig, slik som allerede var vanlig ved oppdelte forbrenningsrom.

Dette resultat blir ved en forbrenningsmotor av den innledningsvis nevnte kon-struksjon oppnådd ved at den største del av forkammeret på i og for seg kjent måte ved hjelp av en luftspalt er varmeisolert overfor sylinderhodet i vannkjølte forbrenningsmotorer, mens forkammeret ved luft-kjølte motorer under vidtgående unngåelse av varmebortledende berøringsflater til sylinderhodet, på i og for seg kjent måte er anordnet i kjøleluftstrømmen og at størrel-sene av berøringsflatene av innsatsstykket med sylinderhodet og tverrsnittet av de steg som bærer midtboringens vegg er således valgt at temperaturen på den av brennstoffstrålen berørte vegg av midtboringen under motorens drift ligger mellom 450—650° C.

Det er for erkjennelsen i henhold til oppfinnelsen nødvendig at fem betingelser ér oppfylt, for at det omhandlede gunstige tenningsforløp og forbrenningsforhold helt uavhengig av drivstoffet oppnås. Disse betingelser er følgende: 1. Brennstoffstrålen må ikke sprøytes på den varme vegg, men må bare akkurat be-røre veggen med sin utvendige diameter. Den må ha en tett lukket form (sprøyte-vinkel 0—4°). 2. I området av den varme vegg og av brennstoffstrålen skal der bare herske en svak luftstrømning under kompresjonsslaget, så at den normale form av brennstoffstrålen ikke forandres. Den totale strupning gjennom innsatsen må være liten. 3. Temperaturen av den varme vegg som berører brennstoffstrålen, skal under drif-ten ligge mellom 450 og 650° C. 4. Brennstoffstrålens spiss må i tennings-øyeblikket være kommet minst til den på stempelsiden beliggende kant av midtåpningen. 5. Temperaturen av veggen av de ytre gjennomgangstverrsnitt og av den til innsatsen grensende del av forkammeret skal ligge under 300° C.

De to førstnevnte betingelser oppfylles ved en kjent utførelse av en forkammer-diselmotor. Tilføyelsen av de siste tre betingelser gir imidlertid først de nevnte gunstige forhold.

Ved den videre utforming av oppfinnelsen sørges det for at de ytre tverrsnitt av innsatsen gjennom hvilken hoveddelen av forbrenningsluften strømmer, ikke an-tar noen temperatur som ligger over 300° C. Denne omstendighet er meget vesentlig da den innsprøytede brennstoffstråle uten-for innsatsen ikke må treffes av så stor varmeinnstråling at brennstoffstrålen kan komme til en ukontrollert tenning før den når innsatsen. Man må tilstrebe at brennstoffstrålen tenner innenfor innsatsens midtåpning og forbrenner fullstendig på sin vei i hovedforbrenningsrommet.

Oppfinnelsen er anskueliggjort på tegningen for anvendelse henholdsvis for luftkjølte og for vannkjølte diselmotorer. Fig. 1 viser den luftkjølte og fig. 2 den vannkjølte utførelse. Fig. 3 er et snitt gjennom innsatsen

etter linjen A-B i fig. 1.

Fig. 4 viser et snitt gjennom stegene

etter linjen C-D i fig. 3.

I fig. 1 er innsatsen i henhold til oppfinnelsen betegnet med 1. Den består av midtåpningen 2 som er omsluttet av veggen 3. Veggen 3 er ved fire steg 4 forbundet med ytterveggen 5. Innsatsen 1 er under dannelse av en luftspalt 6 innsatt i sylinderhodet 7 resp. 9. Den ligger med sin flens 8 an mot den motsvarende flate i sylinderhodet 7 resp. 9. Den foranstående del av beskrivelsen gjelder den i fig. 2 viste utførelse.

I det luftkjølte sylinderhode 7 som er fremstilt av lettmetall, er der innkrympet en ring 10 av tungmetall som hindrer en beskadigelse av tetningsflaten. På den annen side av flensen 8 ligger det luft-kjølte, med ribber 11 forsynte forkammer 12, som tilpresses ved hjelp av ikke viste på den øvre del av forkammeret angrip-ende stiftskruer. På begge sider av flensen 8 ligger tetninger 13. I forkammerets 12

overdel er der innskrudd en innsprøyt-ningsdyse 14. Den er fortrinsvis utført som

strupetappdyse med en sprøytevinkel på 0°. Ved siden av dysen sitter glødeplug-ger 15 som ved igangsetting ved temperaturer under —10° C oppvarmes ved hjelp av et ikke vist elektrisk batteri. Forkammeret 12 ligger i kjøleluftstrømmen som har omtrent den ved K antydede retning.

Til forskjell fra utførelsen i henhold til fig. 1 ligger i fig. 2 forkammeret 16 som består av underdelen 17 og overdelen 18, inne i det vannkjølte sylinderhode 9, overfor hvilket det er isolert ved hjelp av en bred nedre nedre luftspalt 19 og ved hjelp av en trang øvre luftspalt 20. Det blir ved hjelp av ikke viste skruer trykket på flensen 8 under mellomlag av tetningen 13. Overdelen 18 er ved hjelp av en tettning 21 av-tettet mot sylinderhodet. Den har en ut-tagning 22 gjennom hvilken glødepluggen rager inn i forbrenningsrommet. Stempelet 23 har en i projeksjon på stempelbun-nen sirkel- eller ellipseformig eller tre-kantet fordypning 24, som er dypest ved ut-munningen av innsatsen 1 og blir flatere ved tiltagende avstand fra dette sted.

Forkammerets og innsatsens strøm-ningsveier omfatter mellom 30 og 70 pst. av forbrenningsluften, når stemplet 23 står i det øvre dødpunkt. Den ovennevnte volumandel målt i cm» delt ved det minste totaltverrsnitt av innsatsen målt i cm2 gir en verdi som ligger mellom 20 og 100 cm. Det minste tverrsnitt av midtåpningen 2 forholder seg til summen av de minste tverrsnitt av slissen 25 som omsluttes av veggene 3 og 5 samt av stegene 4, som 1 : 1 inntil 1 : 10. Forbrenningsrommets lengde målt fra dysemunningen til den på dysesiden beliggende kant 26 av midtåpningen forholder seg til forbrenningsrommets største diameter omtrent som 1,3 : 1 inntil 1:1. Dette forhold bevirker at brennstoffstrålen med sin spiss i ten-ningsøyeblikket alt etter det øyeblikkelige omdreiningstall, befinner seg mellom den mot stempelfordypningen vendende kant 27 av midtboringen 2 og selve stempelfordypningen. Denne angivelse gjelder for et slagvolum på 0,7 til 1,5 liter/sylinder. Ved andre sylinderstørrelser kan et annet lengde- og diameterforhold av forbrenningsrommet med fordel anvendes. Forholdet mellom det totale tverrsnitt av stegene 4 og midtboringens innvendige flate ligger mellom 1 : 0,5 og 1 : 2. Den luftspalt som atskiller ytterveggen 5 fra den motsvarende boring i sylinderhodet 7 resp. 9 er 0,1 til 0,2 mm bred. De foranstående di-mensjonsangivelser skal bare betraktes som retningsverdier. De må forandres i de enkelte tilfeller inntil man får de ønskede temperaturverdier. De angitte temperaturverdier er målt med termoeleménter hvis spiss befinner seg i midten av stegene 4 resp. i midten av ytterveggen 5. Luftspalten 19 er mellom 1 og 2 mm stor, mens luftspalten 20 bare utgjør 0,1—0,2 mm. Her gjelder det samme som for luftspalten 6. Luftspaltenes dimensjoner må velges slik at temperaturen av forkammeret mellom innsatsen 1 og innsprøytningsdysen 14 faller tilnærmelsesvis lineært fra 300° C til 80° C. I området av luftspalten 6 er en minst mulig del av veggen 5 således utformet som føringsansats at den ligger an mot sylinderhodet 7 resp. 9: Denne førings-ansats kan forlenges alt ettersom den ønskede temperatur har innstilt seg eller ikke. Allé de angitte temperaturer gjelder ved fullbelastning og ved fullt omdreiningstall for permanent tilstand.

Virkemåten av forbrenningsrommet i henhold til oppfinnelsen kan forklares som følger: Mot slutten av kompresjonsslaget blir brennstoff fra dysen 14 (innsprøytnings-begynnelse ca. 20—25° foran det øvre død-punkt ved 2000 omdreininger/minutt) i en slank, lukket stråle (strålevinkel 0—4°) som er omgitt av en tynn spredningsstråle, sprøytet mot midtåpningen 2 på en sådan måte at den utvendige diameter av kjerne-strålen 28 akkurat berører midtboringens vegg 3. Forbrenningsluften strømmer ho-vedsakelig inn gjennom slissene 25, så at der i midtåpningen bare hersker en svak luftstrømning. Det innsprøytede brennstoff som på grunn av varmen i forkamrene 12 resp. 17 og 18 allerede har en viss ten-ningsmodenhet, antennes i midtåpningens varme sone ved meget kortvarig tennings-forløp og forbrenner her langsomt, idet uforbrent brennstoff kommer inn i stempelfordypningen 24 og sluttelig forbrenner med den luft som befinner seg i denne fordypning. Etter at det øvre dødpunkt er overskredet, blander den fra forkammeret 12 resp. 16 gjennom slissene 25 uttredende forbrenningsluft seg med det videre inn-sprøytede inne i midtboringen 2 antente brennstoff, idet skråstillingen av stegene 4 begunstiger en god gjennomblanding. Under denne prosess oppstår praktisk talt ingen forskjell mellom forkammer 12 resp.

16 og stempelfordypningen 24. Man får

derfor lavere brennstofforbrukverdier, i forhold til den effektive ytelse fra 175— 178 g/HKh i omdreiningstallområdet fra 1000—2000 pr. minutt ved 12 HK sylinder-ytelse og en mekanisk virkningsgrad på 0,72 praktisk talt uavhengig av den anvendte brennstoffart. Derved at brenn-

stoffet kommer direkte inn i den som ho-vedforbrenningsrom virkende stempelfor-dypning 24, får man videre de ovenfor

nevnte gunstige kaldstartverdier. Temperaturen av veggen 3 forandrer seg bare

lite i avhengighet av belastningen, da en

temperaturøkning på grunn av den sterk-ere varmeandel ved høy belastning mot-virkes av den større kjølevirkning som

følge av fordampningsvarmen av den til-svarende økede brennstoffmengde. Ten-ningsforløpet er så kort at brennstoffet

forbrenner så sant det kommer inn i midtåpningen, så at en viss styring av forbren-ningsforløpet ved hjelp av innsprøytnings-innsatsen er mulig. Som følge av tennings-forløpets kortvarighet kreves ingen inn-stilling av innsprøytningstidspunktet i avhengighet av omdreiningstallet. Ved brenn-stoffer med meget lavere Cetantall, som

høyoktanbensin, er tenningsforløpet omtrent dobbelt så langvarig som ved gass-olje, men alltid så kortvarig at det gunstige forbrenningsforhold også ved denne

drivstoffart bibeholdes.

Oppfinnelsen er ikke begrenset til den

viste utførelse. F. eks. er det også tenkelig

å anvendé en innsats som har en annen

form, såfremt bare de betingelser som

ovenfor er angitt under 1—5 er oppfylt.

Claims (10)

1. Selvtennende luftkomprimerende

forbrennningsmotor hvor ved slutten av kompresjonsslaget, flytende brennstoff innsprøytes i et forkammer som i sin mot sylinderrommet vendende del er forsynt med et innsatsstykke og hvor dette innsatsstykke har en midtåpning samt et ved hjelp av steg oppdelt ytre gjennomgangstverrsnitt, idet den innsprøytede brennstoffstråle er rettet mot midtåpningen og med sin ytre kjernestrålediameter omtrent berører den indre borings vegg, og videre at innsatsen er således utformet at der i midtåpningen ved kompresjonsslaget bare opptrer en svak luftstrømning, karakterisert ved at den største del av forkammeret (16) på i og for seg kjent måte ved luft-spalter (19, 20) er varmeisolert overfor sylinderhodet (9) i vannkjølte forbrenningsmotorer, mens forkammeret (12) i luftkjølte motorer ved vidtgående unngåelse av varmeledende berøringsflater til sylinderhodet (7) på i og for seg kjent måte er anordnet i kjøleluft-strømmen og at størrelsen av innsatsstykkets (1) berøringsflater (8) med sylin- derhodet (7, 9) og tverrsnittet av de steg 4) som bærer midtboringens (2) vegg (3) er således valgt at temperaturen på den av brennstoffstrålen berørte vegg (3) av midtboringen (2) under motorens drift ligger mellom 450—650° C.

2. Forbrenningsmotor som angitt i påstand 1, karakterisert ved at størrelsen av innsatsstykkets (1) varmebortledende berøringsflater (8) med sylinderhodet (7, 9) og tverrsnittet av de steg (4) som bærer midtboringen (2) er således valgt at temperaturen av innsatsstykkets yttervegg (5) og de vegger av forkammeret (12, 16) som grenser til innsatsstykket under drift ikke stiger over 300° C.

3. Forbrenningsmotor som angitt i påstand 1, karakterisert ved at kammerlengden og lengden av midtåpningen er således valgt at brennstoffstrålens spiss i tenningsøyeblikket befinner seg i det minste på den på stempelsiden beliggende kant (27) av midtåpningen (2).

4. Forbrenningsmotor som angitt i påstand 1 og 2, karakterisert ved at luftspalten (6) mellom ytterveggen (5) og sylin-derveggen (7, 9) er ca. 0,1—0,2 mm.

5. Forbrenningsmotor som angitt i påstand 1—4, karakterisert ved at forholdet mellom midtåpningens (2) mantelflater og det varmebortledende totaltverrsnitt av stegene (4) ligger mellem 0,5 : 1 og 2 : 1.

6. Forbrenningsmotor som angitt i påstand 1—5, karakterisert ved at forholdet mellom kammerlengden målt fra inn-sprøytningsdysen inntil den på dysesiden beliggende kant av innsatsen og den største forkammerdiameter ligger mellom 1 : 1 og 1,3 : 1.

7. Forbrenningsmotor som angitt i påstand 1—6, karakterisert ved at spalte-ne (19, 20) mellom forkammeret 17, 18) og det vannkjølte sylinderhode 9) er således valgt at forkammerets temperatur faller tilnærmelsesvis lineært fra ca. 300° C i sin til innsatsen grensende del 17) til ca. 80° C i nærheten av innsprøytningsdysen (14).

8. Forbrenningsmotor som angitt i påstand 1—7, karakterisert ved at vidden av den nedre spalt (19) er 1 til 2 mm.

9. Forbrenningsmotor som angitt i påstand 1—8, karakterisert ved at vidden av den øvre spalt (20) er 0,1 til 0,2 mm.

10. Forbrenningsmotor som angitt i påstand 1—9, karakterisert ved at den øvre spalt (20) ender omtrent i høyde med innsprøytningsdysen. Anførte publikasjoner: