WO2017152200A1 - Zweitakt-verbrennungsmotor - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a two-stroke internal combustion engine having at least one cylinder (1) receiving a piston (2) and having at least one injection nozzle (4) in the form of a multi-hole low-pressure nozzle inserted in a bore (5) in the cylinder jacket (6).
  • the pulse of the injection jet interferes with the purge flow of the fresh air, especially at low loads, so that no comparatively large fresh air front passing through the cylinder for the desired displacement flushing can form. Since the influence of the fuel injection is reduced to this fresh air front with a corresponding fuel distribution over the fresh air front, fuel distribution over a relatively large area is desirable, which not only causes an increase in the pulse, but also requires a larger opening angle of the jet with the danger in that the jet of the jet adjoins the cylinder wall. Injection nozzles with a multi-hole disk are for example from the
  • the invention is thus based on the object to improve the injection conditions for a two-stroke internal combustion engine so that the flushing flow above the piston is little disturbed by the injection of fuel into the combustion chamber and the risk is avoided that the fuel-air mixture after the nozzle jet is combined with the air flow, it rests against the cylinder wall, thereby wetting the cylinder wall with fuel.
  • the invention solves the stated object in that the multi-hole low-pressure nozzle a nozzle plate arranged within an enveloping nozzle orifices for forming a common jet with one of the inclination of the nozzle axis relative to the mouth surface of the bore dependent , an application of the nozzle jet to the cylinder jacket denoting opening angle and that in a against the cylinder jacket (inclined resulting vector from the velocity vector of the jet in the direction of the nozzle axis and the velocity vector of the purge air flow in Flow direction, the resulting vector with the cylinder jacket includes a maximum inclination angle of 20 °.
  • a nozzle jet results whose outlet cross-section is not determined by the diameter of the nozzle openings but by the enveloping circle diameter surrounding the nozzle openings, which reduces the distance from the injection nozzle for a given cross-sectional area, so that the opening angle at a given distance the jet can be limited without having to dispense with a corresponding distribution of the injected fuel over a larger cross-sectional area.
  • the result for a common nozzle jet is a base, determined by the diameter of the enveloping circle, for the jet, which satisfies many requirements.
  • Particularly advantageous construction conditions arise in this context, when the enveloping circle of the nozzle openings a Diameter which corresponds to at least one third of the radius of the injection nozzle receiving bore in the cylinder jacket.
  • FIG. 1 shows a two-stroke internal combustion engine according to the invention fragmentary in an axial section through a cylinder
  • Fig. 2 is an inserted into a bore in the cylinder jacket, torn open in the nozzle plate injection nozzle in a larger scale and
  • FIG. 3 the injection nozzle used in the bore of FIG. 2 in an end view.
  • a two-stroke internal combustion engine comprises at least one cylinder 1 with a piston 2, which is shown in the bottom dead center position.
  • an injection nozzle 4 is provided, which is inserted into a bore 5 in the cylinder jacket 6.
  • pairs of opposite overflow channels 7, 8 are provided between the crankcase, not shown, and the combustion chamber of the cylinder 1, in relation to the plane of the drawing.
  • the cylinder 1 has a discharge channel 3 diametrically opposite overflow as Aufrichtkanal 9.
  • the purging air flow caused by the overflow channels 7, 8 and the erecting channel 9 has a velocity vector 10 in the direction of the resulting main air flow.
  • the fuel is injected in the form of a jet of jet 1 1 in the direction of the nozzle axis 12 into the combustion chamber.
  • the speed vector of the jet in the direction of the nozzle axis 12 is denoted by 13.
  • the velocity vector 13 of the nozzle jet 1 1 forms, with the velocity vector 10 of the scavenging air flow, a resulting vector 14, which is decisive for the total flow resulting from the scavenging air flows and the jet 1 1 and clarifies the flow path of the fuel-air mixture in the combustion chamber.
  • the front surface of the scavenging air flow should undergo as little change in its course through the jet 1 1 in order to ensure a good displacement flushing. For this reason, the fuel should be added as evenly as possible via the purge air front in the air flow.
  • the jet should not create due to a Coanda effect on the cylinder jacket 6.
  • the opening angle ⁇ of the nozzle jet 1 1 must remain limited in consideration of the angle of inclination of the nozzle axis 12 relative to the cylinder axis in order not to fall short of the design angle relevant for the Coanda effect. With a given opening angle ⁇ , the smallest angle .beta.
  • the injection nozzle 4 is designed in the form of a multi-hole low-pressure nozzle with a nozzle plate 15 whose nozzle openings 16 are arranged within an enveloping circle 17 such that the individual nozzle jets form a common jet Unite 1 1, the opening angle ⁇ can be specified by the orientation of the nozzle openings 16. If, according to FIG. 2, the injection valve 4 is opened by acting on the valve body 18, the fuel is injected into the combustion chamber through the nozzle openings 16 with a comparatively small impulse in the form of the jet 1 1 and impinges there on the resulting purge air flow. to spread in this air flow finely, without affecting the purge air flow in a disturbing way.
  • the fuel-air mixture is guided upward away from the piston head upwards against the cylinder head, the velocity vectors 10, 13 on the one hand of the air flow and on the other hand of the jet 1 1 of the injected fuel Determine flow path.
  • This flow path of the fuel-air mixture should as far as possible not bear against the cylinder jacket 6 in order to avoid wetting of the cylinder jacket 6 with fuel. This is achieved if the inclination angle ⁇ of this vector 14 with respect to the cylinder jacket 6 is at most 20 ° in the case of a resultant vector 14 inclined towards the cylinder jacket 6.

Abstract

Es wird ein Zweitakt-Verbrennungsmotor mit wenigstens einem einen Kolben (2) aufnehmenden Zylinder (1) und mit wenigstens einer in eine Bohrung (5) im Zylindermantel (6) eingesetzten Einspritzdüse (4) in Form einer Mehrloch-Niederdruckdüse beschrieben. Um vorteilhafte Einspritzbedingungen zu schaffen, wird vorgeschlagen, die Mehrloch-Niederdruckdüse eine Düsenplatte (15) mit innerhalb eines Hüllkreises (17) angeordneten Düsenöffnungen (16) zur Ausbildung eines gemeinsamen Düsenstrahls (11) mit einem von der Neigung der Düsenachse (12) gegenüber der Mündungsfläche der Bohrung (5) abhängigen, ein Anlegen des Düsenstrahls (11) an den Zylindermantel (6) unterbindenden Öffnungswinkel (α) aufweist und dass bei einem gegen den Zylindermantel (6) geneigten resultierenden Vektor (14) aus dem Geschwindigkeitsvektor (13) des Düsenstrahls (11) in Richtung der Düsenachse (12) und dem Geschwindigkeitsvektor (10) der Spülluftströmung in Strömungshauptrichtung der resultierende Vektor (14) mit dem Zylindermantel (6) einen maximalen Neigungswinkel (γ) von 20° einschließt.

Description

Zweitakt- Verbrennungsmotor
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf einen Zweitakt-Verbrennungsmotor mit wenigstens einem einen Kolben (2) aufnehmenden Zylinder (1 ) und mit wenigstens einer in eine Bohrung (5) im Zylindermantel (6) eingesetzten Einspritzdüse (4) in Form einer Mehrloch-Niederdruckdüse.
Stand der Technik
Da die innerhalb der Takte zur Verfügung stehende Zeit nicht ausreicht, um den mit Hilfe von Einspritzdüsen gegen den heißen Kolbenboden gespritzten Kraftstoff zu verdampfen und daher die Nachteile der mit Kraftstoff benetzten Kolben- und Zylinderwandflächen insbesondere hinsichtlich der Kohlenwasserstoffemissionen durchschlagen, wurde bereits vorgeschlagen (WO 2010/063048 A1 ), die Einspritzdüsen einander bezüglich einer durch die Achse eines Auslasskanals bestimmten Durchmesserebene des Zylinders symmetrisch gegenüberliegend so anzuordnen, dass sich Düsenachsen in der unteren Totpunktlage des Kolbens oberhalb des Kolbenbodens in der Durchmesserebene schneiden, und zwar auf der vom Auslasskanal abgewandten Seite der Zylinderachse, was in Verbindung mit der entgegengerichteten Luftströmung durch die Überströmkanäle zu einer vom Kolbenboden weg gegen den Zylinderkopf gerichteten Strömung des sich bil- denden Gemischs führt und daher eine Kohlenwasserstoffemissionen bedingende Benetzung des Kolbenbodens mit Kraftstoff verhindert. Diese Wirkung wird jedoch beim Einspritzen des Kraftstoffs lediglich durch eine Einspritzdüse unterlaufen. Es wurde daher der Einsatz von Mehrloch-Niederdruckdüsen vorgeschlagen (WO 2015/1 13096 A1 ), die den Kraftstoff mit vermindertem Impuls einspritzen. Der Impuls des Einspritzstrahls stört jedoch den Spülstrom der Frischluft, insbesondere bei niedrigen Lasten, sodass sich für die angestrebte Verdrängungsspülung keine den Zylinder durchlaufende vergleichsweise großflächige Frischluftfront ausbilden kann. Da der Einfluss der Kraftstoffeinspritzung auf diese Frischluftfront mit einer entsprechenden Kraftstoffverteilung über die Frischluftfront verringert wird, ist eine Kraftstoffverteilung über eine vergleichsweise große Fläche anzustreben, was nicht nur eine Erhöhung des Impulses mit sich bringt, sondern auch einen größeren Öffnungswinkel des Düsenstrahls mit der Gefahr erfordert, dass sich der Düsenstrahl an die Zylinderwand anlegt. Einspritzdüsen mit einer Mehrlochscheibe sind beispielsweise aus der
DE 19636396 A1 bekannt. Solche bekannten Einspritzdüsen können allerdings die Gefahr nicht ausschließen, dass sich das Kraftstoffluftgemisch nach einer Vereinigung des Düsenstrahls mit der Luftströmung an die Zylinderwand anlegt.
Darstellung der Erfindung Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Einspritzbedingungen für einen Zweitakt-Verbrennungsmotor so zu verbessern, dass durch die Einspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum die Spülströmung oberhalb des Kolbens wenig gestört und die Gefahr vermieden wird, dass sich das Kraftstoff-Luftgemisch nach einer Vereinigung des Düsenstrahls mit der Luftströmung an die Zylinderwand an- legt und dadurch die Zylinderwand mit Kraftstoff benetzt wird.
Ausgehend von einem Zweitakt-Verbrennungsmotor der eingangs geschilderten Art, löst die Erfindung die gestellte Aufgabe dadurch, dass die Mehrloch- Niederdruckdüse eine Düsenplatte mit innerhalb eines Hüllkreises angeordneten Düsenöffnungen zur Ausbildung eines gemeinsamen Düsenstrahls mit einem von der Neigung der Düsenachse gegenüber der Mündungsfläche der Bohrung abhängigen, ein Anlegen des Düsenstrahls an den Zylindermantel unterbindenden Öffnungswinkel aufweist und dass bei einem gegen den Zylindermantel (geneigten resultierenden Vektor aus dem Geschwindigkeitsvektor des Düsenstrahls in Richtung der Düsenachse und dem Geschwindigkeitsvektor der Spülluftströmung in Strömungshauptrichtung der resultierende Vektor mit dem Zylindermantel einen maximalen Neigungswinkel von 20° einschließt.
Aufgrund diese Maßnahmen kann bei einem vergleichsweise kleinen Öffnungswinkel des gemeinsamen Düsenstrahls in einem vorgegebenen Abstand von der Einspritzdüse eine Querschnittsfläche des Düsenstrahls erreicht werden, die im Vergleich mit einem Düsenstrahl einer Einlochdüse entweder einen erheblich größeren Öffnungswinkel des Düsenstrahls oder einen größeren Abstand von der Einspritzdüse erfordert. Aufgrund der innerhalb eines Hüllkreises angeordneten Düsenöffnungen ergibt sich ein Düsenstrahl, dessen Austrittsquerschnitt nicht durch den Durchmesser der Düsenöffnungen, sondern durch den die Düsenöffnungen umschließenden Hüllkreisdurchmesser bestimmt wird, was bei einer vorgegebenen Querschnittsfläche den Abstand von der Einspritzdüse verringert, sodass bei einem vorgegebenen Abstand der Öffnungswinkel des Düsenstrahls begrenzt werden kann, ohne auf eine entsprechende Verteilung des eingespritzten Kraftstoffs über eine größere Querschnittsfläche verzichten zu müssen. Dies bedeutet einerseits, dass zufolge des Einspritzens des Kraftstoffs über mehrere innerhalb eins Hüllkreises angeordnete Düsenlöcher der Kraftstoff mit einem vergleichsweise geringen Impuls in einer guten Verteilung über die Front der Luftströmung in den Brennraum eingespritzt wird und dass anderseits wegen des be- schränkten Öffnungswinkels die Gefahr eines Anlegens des Düsenstrahls an die Zylinderwand ausgeschlossen werden kann, was eine wesentliche Voraussetzung für eine vorteilhafte Kraftstoffverteilung im Brennraum darstellt. Darüber hinaus wird die Gefahr ausgeschlossen, dass sich das Kraftstoff-Luftgemisch nach einer Vereinigung des Düsenstrahls mit der Luftströmung an die Zylinderwand anlegt. Mit der Anzahl der Düsenöffnungen und ihrer Ausrichtung kann in einfacher Weise Einfluss auf die Ausbildung des Düsenstrahls genommen werden. Weist die Düsenplatte wenigstens drei über den Umfang des Hüllkreises verteilte Düsenöffnungen auf, so ergibt sich bei einem gemeinsamen Düsenstrahl eine durch den Durchmesser des Hüllkreises bestimmte Basis für den Düsenstrahl, die vielen An- forderungen genügt. Besonders vorteilhafte Konstruktionsverhältnisse ergeben sich in diesem Zusammenhang, wenn der Hüllkreis der Düsenöffnungen einen Durchmesser aufweist, der zumindest einem Drittel des Radius der die Einspritzdüse aufnehmenden Bohrung im Zylindermantel entspricht.
Kurze Beschreibung der Erfindung
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zei- gen
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Zweitakt- Verbrennungsmotor ausschnittsweise in einem Axialschnitt durch einen Zylinder,
Fig. 2 eine in eine Bohrung im Zylindermantel eingesetzte, im Bereich der Düsenplatte aufgerissene Einspritzdüse in einem größeren Maßstab und
Fig. 3 die in die Bohrung eingesetzte Einspritzdüse nach der Fig. 2 in einer Stirnansicht.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Gemäß der Fig. 1 umfasst ein Zweitakt-Verbrennungsmotor nach der Erfindung wenigstens einen Zylinder 1 mit einem Kolben 2, der in der unteren Totpunktlage dargestellt ist. Auf der einem Auslasskanal 3 gegenüberliegenden Zylinderseite ist eine Einspritzdüse 4 vorgesehen, die in eine Bohrung 5 im Zylindermantel 6 eingesetzt ist. Zwischen dem nicht dargestellten Kurbelgehäuse und dem Brennraum des Zylinders 1 sind einander bezüglich der Zeichnungsebene paarweise gegenüberliegende Überströmkanäle 7, 8 vorgesehen. Zusätzlich weist der Zylinder 1 einen dem Auslasskanal 3 diametral gegenüberliegenden Überströmkanal als Aufrichtkanal 9 auf. Die durch die Überströmkanäle 7, 8 und den Aufrichtkanal 9 bedingte Spülluftströmung weist einen Geschwindigkeitsvektor 10 in Richtung der resultierenden Hauptluftströmung auf. Der Kraftstoff wird in Form eines Düsenstrahls 1 1 in Richtung der Düsenachse 12 in den Brennraum eingespritzt. Der Ge- schwindigkeitsvektor des Düsenstrahls in Richtung der Düsenachse 12 ist mit 13 bezeichnet. Der Geschwindigkeitsvektor 13 des Düsenstrahls 1 1 bildet mit dem Geschwindigkeitsvektor 10 der Spülluftströmung einen resultierenden Vektor 14, der maßgebend für die aus den Spülluftströmungen und dem Düsenstrahl 1 1 resultierende Gesamtströmung ist und den Strömungsweg des Kraftstoff- Luftgemisches im Brennraum verdeutlicht. Die Frontfläche der Spülluftströmung soll in ihrem Verlauf durch den Düsenstrahl 1 1 möglichst wenig Veränderung erfahren, um eine gute Verdrängungsspülung sicherstellen zu können. Aus diesem Grund soll der Kraftstoff möglichst gleichmäßig über die Spülluftfront in die Luftströmung eingetragen werden. Dies setzt im Be- reich des Aufeinandertreffens von Spülluftstrom und Düsenstrahl 1 1 eine an die Spülluftfront angepasste Querschnittsfläche des Düsenstrahls 1 1 einerseits und anderseits einen vergleichsweise kleinen Impuls des Düsenstrahls 1 1 voraus. Trotz dieser Bedingungen soll sich der Düsenstrahl nicht aufgrund eines Coanda- Effekts an den Zylindermantel 6 anlegen. Dies bedeutet, dass der Öffnungswinkel α des Düsenstrahls 1 1 unter Berücksichtigung des Neigungswinkels der Düsenachse 12 gegenüber der Zylinderachse begrenzt bleiben muss, um den für den Coanda-Effekt maßgebenden Anlegungswinkel nicht zu unterschreiten. Bei gegebenem Öffnungswinkel α darf somit gemäß der Fig. 1 der kleinste Winkel ß zwischen dem Mantel des Düsenstrahls 1 1 und dem Zylindermantel 6 den Anle- gungswinkel nicht unterschreiten. Dies bedeutet andererseits, dass bei gegebenem Neigungswinkel der Düsenachse 12 der Öffnungswinkel α des Düsenstrahls 1 1 entsprechend begrenzt werden muss.
Damit diese unterschiedlichen Forderungen mit einfachen konstruktiven Mitteln erfüllt werden können, ist die Einspritzdüse 4 in Form einer Mehrloch-Niederdruck- düse mit einer Düsenplatte 15 ausgebildet, deren Düsenöffnungen 16 innerhalb eines Hüllkreises 17 so angeordnet sind, dass sich die einzelnen Düsenstrahlen zu einem gemeinsamen Düsenstrahl 1 1 vereinigen, dessen Öffnungswinkel α durch die Ausrichtung der Düsenöffnungen 16 vorgegeben werden kann. Wird gemäß der Fig. 2 das Einspritzventil 4 durch eine Beaufschlagung des Ventilkör- pers 18 geöffnet, so wird der Kraftstoff durch die Düsenöffnungen 16 mit einem vergleichsweise geringen Impuls in Form des Düsenstrahls 1 1 in den Brennraum gespritzt und trifft dort auf die resultierende Spülluftströmung, um sich in dieser Luftströmung fein zu verteilen, ohne die Spülluftströmung in störender Weise zu beeinflussen. Das Kraftstoff-Luftgemisch wird nach der Fig. 1 entsprechend den Strömungsverhältnissen vom Kolbenboden weg nach oben gegen den Zylinderkopf geführt, wobei die Geschwindigkeitsvektoren 10, 13 einerseits der Luftströmung und anderseits des Düsenstrahls 1 1 des eingespritzten Kraftstoffs den Strömungsweg bestimmen. Dieser Strömungsweg des Kraftstoff-Luftgemisches soll sich tunlichst nicht an den Zylindermantel 6 anlegen, um eine Benetzung des Zylindermantels 6 mit Kraftstoff zu vermeiden. Dies gelingt, wenn bei einem gegen den Zylindermantel 6 geneigten resultierenden Vektor 14 der Neigungswinkel γ dieses Vektors 14 gegenüber dem Zylindermantel 6 höchstens 20° beträgt.

Claims

Patentansprüche
1 . Zweitakt-Verbrennungsmotor mit wenigstens einem einen Kolben (2) aufnehmenden Zylinder (1 ) und mit wenigstens einer in eine Bohrung (5) im Zylindermantel (6) eingesetzten Einspritzdüse (4) in Form einer Mehrloch- Niederdruckdüse, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrloch-Niederdruckdüse eine Düsenplatte (15) mit innerhalb eines Hüllkreises (17) angeordneten Düsenöffnungen (16) zur Ausbildung eines gemeinsamen Düsenstrahls (1 1 ) mit einem von der Neigung der Düsenachse (12) gegenüber der Mündungsfläche der Bohrung (5) abhängigen, ein Anlegen des Düsenstrahls (1 1 ) an den Zylindermantel (6) unterbindenden Öffnungswinkel (a) aufweist und dass bei einem gegen den Zylindermantel (6) geneigten resultierenden Vektor (14) aus dem Geschwindigkeitsvektor (13) des Düsenstrahls (1 1 ) in Richtung der Düsenachse (12) und dem Geschwindigkeitsvektor (10) der Spülluftströmung in Strömungshauptrichtung der resultierende Vektor (14) mit dem Zylindermantel (6) einen maximalen Neigungs- winkel (γ) von 20° einschließt.
2. Zweitakt-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenplatte (15) wenigstens drei über den Umfang des Hüllkreises (17) verteilte Düsenöffnungen (16) aufweist.
3. Zweitakt-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Hüllkreis (17) der Düsenöffnungen (16) einen Durchmesser aufweist, der zumindest einem Drittel des Radius der die Einspritzdüse (4) aufnehmenden Bohrung (5) im Zylindermantel (6) entspricht.
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