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Brennstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen, insbesondere für eine Freiflugkolbenmaschine mit veränderlichem Kolbenhub
Die Erfindung bezieht sich auf Brennstoffeinspritzeinrichtungen für Brennkraftmaschinen, insbesondere solche, die zu einer Freiflugkolbenmaschine mit veränderlichem Kolbenhub gehören.
Es ist schon im Brennkraftmaschinenbau bekannt, den Brennkraftmaschinenzylinder gleichzeitig mit mindestens einer unmittelbaren und mit mindestens einer Vorkammer-Einspritzdüse zu versehen. Bei diesen bekannten Einrichtungen ist die Steuerung der Einspritzdüsen bisher immer eine derartige gewesen, dass die Vorkammereinspritzung vor der direkten Einspritzung oder spätestens gleichzeitig mit der direkten Einspritzung beginnt.
Es hat sich nun herausgestellt, dass eine wesentliche Verbesserung der Verbrennung, des Wirkungsgrades und der Belastbarkeit einer Brennkraftmaschine erzielt werden kann, wenn die unmittelbare Einspritzung, mit der die Hauptmenge des Brennstoffes eingespritzt wird, vor der Einspritzung in die Vorkammer beginnt.
Die Erklärung hiefür scheint im folgenden zu bestehen. Zur Erzielung einer raschen und vollständigen Verbrennung müssen bekanntlich die folgenden Bedingungen erfüllt werden : Der Zündverzug soll möglichst gering sein, ferner muss die Verbrennungsgeschwindigkeit gross sein, wobei die Geschwindigkeit während der ganzen Verbrennungsdauer möglichst gleichförmig bleiben soll, und schliesslich müssen die Wärmeverluste bei der Verbrennung so gering wie möglich gehalten werden.
Die gleichzeitige Erfüllung dieser Bedingungen ist bisher nicht erreicht worden. Es ist bekannt, dass die Verbrennungsgeschwindigkeit erhöht werden kann, wenn die Luft in eine rasche Wirbelbewegung versetzt wird. Jedoch hat die Wirbelbewegung eine Vergrösserung des Zündverzuges und eine Erhöhung der Wärmeverluste durch die Wände der Verbrennungskammer zur Folge.
Da erfindungsgemäss die direkte Einspritzung schon beginnt, noch ehe die Vorkammereinspritzung begonnen hat, fällt der Anfang der direkten Einspritzung in eine Periode, bei der die Verbrennungsluft noch verhältnismässig ruhig ist. Infolgedessen ist der Zündverzug gering und sind die Wärmeverluste in diesem ersten Teil der Verbrennungsperiode verhältnismässig unbedeutend. Gleichzeitig geht in diesem ersten Teil der Verbrennungsperiode trotz der geringen Luftbewegung die Verbrennung verhältnismässig rasch vor sich, da in diesem Teil der Verbrennung die Luft noch reich an Sauerstoff ist.
Die nach dem Beginn der direkten Einspritzung einsetzende Einspritzung in die Vorkammer bewirkt dann eine heftigewirbelbildungder Verbrennungs- luft gerade in dem Augenblick, in dem die Verbrennung des direkt eingespritzten Brennstoffes ohne eine kräftige Durchwirbelung der Verbrennungsluft eine wesentliche Verlangsamung erfahren hätte. Diese Verlangsamung wird also erfindungsgemäss vermieden, während anderseits die Dauer der kräftigen Wirbelbewegung der Verbrennungsluft auf einen Teil der gesamten Verbrennungsperiode beschränkt wird, was zu einer wesentlichen Verminderung der Wärmeverluste durch Leitung führt.
Es ergibt sich aus dem Vorstehenden, dass durch den Erfindungsgedanken, der darin besteht, die Einspritzung in die Vorkammer erst nach der Einspritzung der Hauptmenge auf direktem Wege beginnen zu lassen, eine ausserordentlich günstige Verbrennung erzielt wird. In der Tat ermöglicht es die Erfindung, die bisher nur theoretisch bekannten Bedingungen für eine günstige, mit geringsten Verlusten vor sich gehende Verbrennung in die Praxis zu überführen.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung sei auf die Zeichnung verwiesen, die jedoch, ebenso wie die nachfolgende Beschreibung, nur einige der zahlreichen möglichen Ausführungsformen als Beispiele bringt. Fig. 1 stellt den Arbeitszylinder einer Brennkraftmaschine mit gegenläufigen Freiflugkolben im Teillängsschnitt dar, wobei der Zylinder mit der Brennstoffeinspritzvorrichtung gemäss der Erfindung ausgerüstet ist. Fig. 2 zeigt den gleichen Zylinder im Querschnitt nach Schnitt II-II der Fig. l, sowie die Einspritzpumpe und die zur Anlage gehörenden Brennstoff-Zuführungsleitungen. Fig. 3 veranschaulicht einen entsprechenden Querschnitt
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durch einen Zylinder mit einer anders ausgebildeten Brennstoffeinspritzanlage.
In der Fig. 1 ist ein Kraft-oder Arbeitszylinder einer Brennkraftmaschine mit Freiflugkolben und veränderlichem Hub, etwa der Zylinder eines Brennkraftverdichters oder eines Treibgaserzeugers, der vorteilhaft im Zweitakt arbeitet, dargestellt.
Der krafterzeugende Teil der Maschine, mit Ausnahme seiner Brennstoff-Einspritzanlage, kann in beliebiger geeigneter und üblicher Weise ausgeführt sein, und z. B., wie es die Zeichnung schematisch veranschaulicht, einen Zylinder 1
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enthalten, die in der Nähe ihrer äusseren Totpunkte Einlassschlitze 4 und Auspuffschlitze 5 freilegen.
Die Zuströmkanäle, welche in diesen Einlassschlitzen münden, erhalten zweckmässig eine solche Form, dass die durch diese Schlitze in den Zylinder strömende Luft zu einer Wirbelbewegung gezwungen wird, die mehr oder weniger bis zu dem Zeitpunkt der Einspritzung des Brennstoffes andauert.
Die hin-und hergehende Bewegung der Kolben 2 und 3 wird durch beliebige, geeignete auf der Zeichnung nicht veranschaulichte Mittel in Abhängigkeit voneinander gebracht bzw. synchronisiert.
In dem Arbeitszylinder der Fig. 1 besteht die Brennkammer aus dem Raum, der sich zwischen den Stirnflächen der beiden Kolben 2 und 3 befindet, wenn diese ihren inneren Totpunkt einnehmen.
Bei der in Fig. 1 und 2 veranschaulichten Ausführungsform ist eine Düse od. dgl. mit unmittelbarer Einspritzung 6 und eineVorkammerEinspritzvorrichtung 7 an im Durchmesser gegen- überliegenden Stellen der gleichen Querschnittsebene des Zylinders 1 angeordnet.
Bei der Ausführung nach Fig. 3 sind zwei Düsengruppen vorgesehen, deren jede eine Düse mit unmittelbarer Einspritzung 61 bzw. 62 und eine Vorkammer-Einspritzvorrichtung 71 bzw. 72 enthält ; diese Düsen od. dgl. sind hiebei derart angeordnet, dass die Einrichtungen der gleichen Art der beiden Gruppen an im Durchmesser einander gegenüberstehenden Stellen liegen.
Die Düsen mit unmittelbarer BrennstoffEinspritzung und diejenigen mit Vorkammer können von derselben Brennstoffpumpe 8 (Fig. 2) oder aber durch zwei verschiedene Pumpen 8 a, 8b (Fig. 3) gespeist werden, von denen die eine alle unmittelbar belieferten Düsen ssj, ssa, die andere alle diejenigen mit Vorkammer 71, 72 versorgt.
Erfindungsgemäss ist die Anordnung so getroffen, dass die Einspritzung durch die eine oder durch mehrere unmittelbar liefernde Düsen vor derjenigen durch die Vorkammer-Einspritzvorrichtungen beginnt, die u. a. eine Verkürzung des sich sonst ziemlich lange hinziehenden Endes der Brenndauer des unmittelbar zugeführten Brennstoffes herbeiführt.
Um diese zeitliche Verschiebung zwischen den beiden Einspritzarten zu erreichen, kann im Falle der Fig. 2, in welchem dieselbe Pumpe die beiden Arten der Brennstoffeinspritzung speist, die Leitung 9, welche die Pumpe mit der Vorkammerdüse 7 verbindet, eine grössere Länge erhalten, als die Leitung 10, die von derselben Pumpe zu der Düse 6 mit unmittelbarer Einspritzung führt.
Zu diesem Zweck ist in die Leitung 9 eine als"Phasenverschieber"zu bezeichnende Vorrichtung eingebaut, welche aus einem zylindrischen Kernstück 11 mit einer auf seinem äusseren Umfang eingeschnittenen Schraubennut 12 und aus einer Zylinderhülse 13 bestehen kann, welche z. B. durch Aufpressen, Aufschrumpfen od. dgl. auf dem Kernstück 11 befestigt sein kann. Das Ganze ist so ausgebildet, dass die Schraubennut einen Teil der Leitung 9 bildet.
Werden die unmittelbar einspritzenden Düsen und die Vorkammer-Einspritzvorrichtungen von verschiedenen Pumpen gespeist (Fig. 3), so lässt sich die gewünschte Phasenverschiebung der beiden Einspritzzeiten durch verschiedene Aufkeilwinkel und/oder eine geeignete Form der die Pumpen treibenden Nocken 14 a und 14 b erreichen.
Ist die Einspritzanlage gemäss der Erfindung an einem Arbeitszylinder angebracht, dessen Luftzuführungsdruck sehr veränderlich ist, so ist es zweckmässig, die Phasenverschiebung zwischen der unmittelbaren Einspritzung und derjenigen mit Vorkammer in Abhängigkeit von diesem Zuführungsdruck zu regeln, u. zw. am besten derart, dass die Phasenverschiebung um so grösser wird, je mehr die Zuführungsdrücke steigen.
Handelt es sich um eine Freiflugkolbenmaschine, bei welcher die ganze Einspritzung in ihrer Gesamtheit zeitlich vorverlegt werden soll wenn der Druck wächst, so wirdin Anwendung dieses Gedankens beim Betrieb mit höherem Druck die Brennstoff-Zuführungszeit der unmittelbar einspritzenden Düsen mehr vorverlegt als die der Vorkammer-Einspritzvorrichtungen.
Es sei hier bemerkt, dass sich der Fall der Änderung des Zuführungsdruckes zum Arbeitszylinder besonders bei Treibgaserzeugern für heisse Druckgase einstellt ; solche Maschinen enthalten einen zum Antrieb und einen zur Verdichtung dienenden Teil, welcher den ersteren mit Luft unter ver- änderlichem Druck beliefert, während die heissen Druckgas durch den Antriebsteil in der Form eines Überschussgemisches an Spülluft und Verbrennungsgasen abgegeben werden, wobei der Druck dieses Gemisches mit dem der zugeführten Frischluft veränderlich ist.
Was die Regelung der Brennstoffmenge betrifft, die durch die beiden Arten der Einspritzung zugeführt wird, so wird diese, wie erwähnt, zweckmässig so eingerichtet, dass die unmittelbar eingespritzte Brennstoffmenge grösser ist als die seitens der Vorkammer-Einspritzvorrichtungen gelieferte.
Häufig kann es vorteilhaft sein, das Verhältnis der durch die Vorkammer-Vorrichtungen gelieferten Brennstoffmenge Q, zu der unmittelbar
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eingespritzten Brennstoffmenge Qu in Abhängigkeit von der Leistung zu ändern. Dieses Ver-
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Leistungen) und 1 : 5 (für Vollastbetrieb) ändern.
Um dies zu erzielen, kann die durch die Vorkammervorrichtungen eingespritzte Brennstoffmenge gleich gross gehalten und nur die Brennstoffmenge der unmittelbar einspritzenden Düsen geregelt werden.
Die Einspritzvorrichtungen selbst können in beliebiger geeigneter Weise ausgebildet sein.
Wenn die Luft in dem Verbrennungsraum, beispielsweise durch geeignete Anordnung der Einlassöffnungen 4, eine kreisende Wirbelbewegung um die Achse des Arbeitszylinders ausführt (vgl. den Pfeil f, Fig. 3), so können die Spritz- öffnungen der Düsen so angeordnet sein, dass ihre Spritzstrahlen im wesentlichen tangential zu diesem Wirbel gerichtet sind.
Bei jeder Ausführungsform gemäss der Erfindung lässt sich stets eine Brennstoff-Einspritzanlage schaffen, die zugleich eine rasche Verbrennung und einen guten Wirkungsgrad gewährleistet.
Die Erfindung beschränkt sich, wie erwähnt, nicht auf die im vorstehenden genauer be- schriebenen Anwendungsarten und Ausführungsformen ihrer Einzelteile, sondern umfasst auch Abänderungen derselben aller Art.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Brennstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen, insbesondere für Maschinen mit Freiflugkolben und veränderlichem Hub, bei der für je einen Motorzylinder gleichzeitig mindestens eine unmittelbare und eine Vorkammereinspritzdüse vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die unmittelbare Einspritzung vor der Einspritzung in die Vorkammer beginnt.
2. Brennstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzmenge der direkten Einspritzung grösser ist als die der Vorkammereinspritzung.
3. Brennstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, bei der die gleiche Einspritzpumpe für beide Einspritzarten verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung zwischen der Pumpe und den Vorkammern für den durchströmenden Brennstoff einen grösseren Widerstand besitzt als die Leitung zwischen der Pumpe und den direkten Einspritzdüsen, wobei dieser grössere Widerstand vorzugsweise durch eine grössere Leitungslänge erzeugt wird.
4. Brennstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch l, bei der die direkten Einspritzdüsen und die Einspritzdüsen der Vorkammer durch verschiedene Pumpen gespeist werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpen in verschiedenen Zeitpunkten in an sich bekannter Weise mittels Nocken geeigneten Profils in Tätigkeit gesetzt werden.
5. Brennstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass die Grösse der Differenz zwischen dem Beginn der direkten Einspritzung und dem Beginn der Einspritzung in die Vorkammer regelbar ist.
6. Brennstoffeinspritzeinrichtung nach den Ansprüchen l und 5 für einen Motor mit ver- änderlichem Druck der Ladeluft, insbesondere für Treibgaserzeuger, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorverlegung des Beginns der direkten Einspritzung in bezug auf den Beginn der Einspritzung in die Vorkammer wächst, sobald der Ladedruck steigt.
7. Brennstoffeinspritzeinrichtung nach den Ansprüchen l, 5 und 6, bei der die Einspritzung in ihrer Gesamtheit vorverlegt wird sobald der Ladedruck steigt, dadurch gekennzeichnet, dass die direkte Einspritzung mehr vorverlegt wird als die Einspritzung in die Vorkammer.
8. Brennstoffeinspritzeinrichtung nach den Ansprüchen l und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Brennstoffmenge, die durch die Vorkammerdüsen eingespritzt wird, und derjenigen Menge, die durch die direkten Düsen eingespritzt wird, in Abhängigkeit von der Motorleistung veränderlich ist.
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