CH211350A - Einspritzbrennkraftmaschine. - Google Patents

Description

      Einspritzbrennkraftmaschine.       Die Erfindung betrifft eine     Einspritz-          brennkraftmaschine    mit um die Zylinder  achse kreisender Luftladung, bei der am  Ende des Verdichtungshubes der grössere Teil  der Luftladung in einen im Kolben vor  gesehenen, als Rotationshohlraum mit ge  wölbten Wandungen     ausgebildeten    Brenn  raum mit einer gegenüber dem Brennraum  verengten Verbindungsöffnung zum Zylin  derraum verdrängt wird, in dessen wirbeln  den Luftinhalt gegen Ende des Verdichtungs  hubes und zu Beginn des Ausdehnungshubes  flüssiger Brennstoff durch eine gleichachsig  zum Brennraum im Zylinderkopf angeord  nete Düse eingespritzt wird.  



  Bei     Brennkraftmaschinen    mit unmittel  barer Einspritzung ist bekannt, der Luft  beim Ansaugen durch besondere Hilfsmittel,  wie durch Schirme an     Einlassventilen,    be  sondere Anordnungen der     Luftsaugleitungen     usw., eine um die Zylinderachse kreisende  Bewegung zu erteilen. Die Drehgeschwin  digkeit der Luft ist bei     bekannten    Maschi-         nen    so     abgestimmt,    dass die Luft während  des     Einspritzvorganges    gerade den Weg von  einem     Brennstoffstrahl    zum andern zurück  legt.

   Hierdurch ist bei     Maschinen,    die mit  variabler     Drehzahl    arbeiten, der Nachteil be  dingt, dass sich die erwähnte Abstimmung  nicht über den ganzen Drehzahlbereich der       Brennkraftmaschineverwirklichen    lässt. Auch  ist bei in der Zylinderachse liegender Brenn  stoffdüse die Luftgeschwindigkeit an der  Düse gleich Null, was langsames Aufheizen  des Brennstoffes und damit grossen     Zündver-          zug    zur Folge hat.

   Anderseits ist es eben  falls bekannt, dem Brennraum die Form  eines flachen Rotationshohlkörpers mit ge  wölbten Wandungen zu geben und diesen  Raum mit einer verengten Verbindungsöff  nung zum Zylinderraum zu versehen, durch  welche die Luft bei der Annäherung des Kol  bens an den Zylinderkopf durchtreten muss.

    Die durch die     Verdrängerwirkung    des Kol  bens hervorgerufene grosse radiale     Zuström-          geschwindigkeit    der über dem Kolbenboden      zur Öffnung des Brennraumes fliessenden  Luft erzeugt im     Brennraum    eine     Wirbelung     um eine     Kreisringachse,    die in einer senkrecht  zur Zylinderachse gerichteten Ebene liegt,  wobei die Luft in der Mitte des Brennraumes  nach unten und am äussern Umfang desselben  wieder nach oben strömt.

   Diese     '\Virbeliuig     wird aber nach der innern     Totlage,    wenn  sich der Kolben beim Ausdehnungshub wie  der vom Zylinderdeckel entfernt, plötzlich  abgebremst, weil dann die Luft aus der Mitte  des     Brennraumes    in den     Zv        linderraum    aus  tritt, also eine der genannten     -%Virbeliing    ent  gegengesetzte Bewegung ausführt.     Bei    un  gefähr symmetrischer Einspritzung zur       innern        Totlage    findet die zweite Hälfte des  eingespritzten Brennstoffes keine bestimmte       Wirbelung    mehr vor.

   Der Brennstoff wird  daher zu wenig mit frischer Luft vermischt,  was sich in einer     umvollständigen    Verbren  nung äussert.  



  Man hat auch schon vorgeschlagen,  die     um.    die Zylinderachse kreisende Be  wegung der Luft mit der     durch    die     Ver-          drängerwirkung    des Kolbens herbeigeführten       Wirbelung    der Luft um die     Kreisringachse     zu vereinigen. Es ist dann die Luftgeschwin  digkeit an der Brennstoffdüse nicht mehr  gleich Null, so dass der Brennstoff schneller  aufgeheizt wird, und die Luft wird dabei auf  dem ganzen Umfang des Brennraumes gleich  mässiger mit dem Brennstoff gemischt.

   Hin  gegen bleibt der Nachteil der     Abbremsung     der     -V#rirbeliing    um die     Kreisringaehse    nach  der Kolbenumkehr bei Beginn des Ausdeh  nungshubes bestehen.  



  Es wird also bei den bekannten Maschi  nen nicht die Gesamtheit der folgenden Be  dingungen innegehalten, die für einen ruhigen  Gang des Motors und eine rauchfreie, voll  ständige Verbrennung erforderlich sind. Zu  Beginn der Einspritzung muss die Strahl  wurzel intensiv von einem heissen Luftstrom  erfasst werden, damit der Zündverzug einen  möglichst kleinen Wert erreicht. Ferner muss  während der restlichen Einspritzung ständig  frische Luft den Brennstoffstrahlen zu  geführt werden, das heisst die Umkehr der         Bewegungsrichtung    des     Kolbens    darf wäh  rend der Einspritzung nicht bremsend auf  die     Wirbelung    einwirken oder sogar ihre  Richtung umkehren.  



  Um die vorher geschilderten Anforderun  gen gleichzeitig vollständig zu erfüllen, wird  gemäss der Erfindung gegen Ende der Ver  dichtungsperiode im     Zylinderraum    eine     Luft-          wirbelung    herbeigeführt, infolge welcher die  Luft unmittelbar über den Rand der Kolben  öffnung hinweg dem Umfang des     Brenn-          raumes    entlang     bis    zu seinem Boden strömt  und darauf in einem von diesem aus auf  steigenden mittleren schraubenförmigen Wir  bel in Richtung auf die Einspritzdüse     zu-          riiekströmt.    Diese Wirbelform wird dadurch  erzielt,

   dass die     Drehbewegung    der um die  Zylinderachse kreisenden Luft gegenüber der  aus der     Zuströmung    der Luft zur Kolben  höhlung resultierenden radialen     Luftbe.we-          gung    gesteigert wird. Die Erfahrung hat ge  zeigt. dass die neue Wirbelform auftritt, wenn  die mittlere     tangentiale        Geschwindigkeit    der  während der     Einlassperiode    in den     Zylinder     einströmenden Luft grösser ist als die maxi  male     Radialzuströmgeschwindigkeit    der Luft  am Rande der Kolbenöffnung.  



  Die auf diese Weise erzielte neue     Luft-          wirbelung    dauert über die innere     Totlage    des  Kolbens an; sie erfährt also nicht die bei  den bekannten     Wirbelungsformen    auftretende  plötzliche     Abbremsung.    Solange sieh der  Kolben gegen den Zylinderdeckel zu bewegt,  fliesst die in dem mittleren. schraubenför  migen Wirbel nach Art einer Windhose auf  steigende Luft von der Öffnung des Brenn  raumes zusammen mit der in diesen neu ein  tretenden Luft wieder an dem Umfang des  Brennraumes entlang dem Boden des Brenn  raumes zu.

   Zu Beginn des Ausdehnungs  hubes tritt die in dem mittleren, schrauben  förmigen Wirbel aufsteigende Luft durch die  Öffnung des     Brennraumes    in den Zylinder  raum. Die Kolbenumkehr bewirkt dabei nicht  eine     Abbremsung    oder Umkehr der     Wir-          bulung.    sondern begünstigt     das    Heraustreten  des mittleren Luftwirbels nach der Einspritz  düse hin. Es können sich daher die letzten      aus der Düse austretenden     Brennstoffmengen     noch mit     Frischluft        vermischen.     



  Zur Erreichung des oben angegebenen       Verhältnisses    der Luftgeschwindigkeit kön  nen die     Durchströmquerschnitte    für die Luft  sowohl an den     Lufte@nlassorganen    wie auch  am Rande der Kolbenöffnung entsprechend  bemessen und aufeinander abgestimmt wer  den.  



  Vorteilhaft wird bei Maschinen mit einem       Einlassventil    der Durchgangsquerschnitt die  ses     Einlassventils    verkleinert, damit durch       Steigerung    der Geschwindigkeit der um die  Zylinderachse kreisenden Luft ihre Flieh  kraft entsprechend erhöht wird. Dabei müs  sen zwar weniger günstige Füllungsverhält  nisse in Kauf genommen werden, jedoch über  wiegt der dadurch eingetauschte Vorteil der  besseren     Verbrennung.     



  Anstatt die Geschwindigkeit der um die  Zylinderachse     kreisenden    Luft zu steigern,  kann man auch zur Vermeidung der damit       verbundenen    Nachteile von dieser     Steigerung     absehen, dafür aber die     Verdrängerwirkung     des Kolbens     verkleinern.    Dies erfolgt zweck  mässig dadurch, dass der Spalt zwischen dem  Kolben und dem Zylinderdeckel sich gegen  die     Öffnung    des Brennraumes     hin    verbreitert,  damit am Rand der Öffnung die durch die       Verdrängerwirkung    erzeugte     Radialgeschwin-          digkeit    der Luft verkleinert wird.  



  Auf der     Zeichnung    sind Teile von zwei  Ausführungsbeispielen der     Einspritzbrenn-          kraftmaschine    nach der Erfindung veran  schaulicht.  



       Fig.    1 zeigt im senkrechten Längsschnitt  den obern Teil des Zylinders der ersten Ma  schine, kurz bevor der Arbeitskolben den       innern    Totpunkt erreicht;       Fig.    2 zeigt den Arbeitskolben im Grund  riss ;       Fig.    3 zeigt den gleichen     Schnitt    wie       Fig.    1 und veranschaulicht den Zustand zu  Beginn des Ausdehnungshubes;       Fig.    4 veranschaulicht den Strömungsver  lauf eines Luftteilchens bei der Kolbenlage  nach     Fig.    1;

           Fig.    5 ist ein senkrechter     Längsschnitt     durch die andere Ausführungsform in der  Stellung des Kolbens     entsprechend        Fig.    1;       Fig.    6     veranschaulicht    den Kolben nach       Fig.    5 im Grundriss.  



       In    dem Zylinder 1 arbeitet gemäss den       Fig.    1 bis 4 der Kolben 2. Das     Einlassventil     3 und das     Auslassventil    4 sind in dem Zylin  derdeckel 6 gelagert. Die Einspritzdüse 5 ist  ebenfalls im Zylinderdeckel 6 gelagert, und  zwar gleichachsig mit dem     Brennraum    7.  



  Dieser Brennraum ist durch eine Ausspa  rung im Kolben 2 in Form eines Rotations  hohlraumes mit gewölbten Wandungen. Am  Boden des     Brennraumes    7, und zwar in  seiner Mitte, ist eine kegelförmige Erhöhung  8 vorgesehen, durch welche Leitflächen für  die wirbelnde Luft gebildet werden. Der  Bremsraum 7 steht mit dem Zylinderraum  11 durch eine gegenüber dem     Brennraum     verengte     Öffnung    9 in     Verbindung,    deren       Durchmesser        etwa    1/     bis    1/4 des Zylinder  durchmessers beträgt.  



  Das     Einlassventil    3 ist mit einem Schirm  10 versehen, welcher derartig angeordnet ist,  dass die     Ladeluft    durch das Ventil 3 in an  nähernd     tangentialer    Richtung in den Ar  beitszylinderraum 11     einströmt.    Die Lade  luft kreist also im     Arbeitszylinder    um des  sen     Achse.     



  Der     Durehströmquerschnitt    für die Luft  am Ventil 3 ist     kleiner    als man ihn wählen  würde, wenn man lediglich die besten Fül  lungsverhältnisse erreichen wollte.  



       Infolge    der Reduktion des     Durchström-          querschnittes    des     Einlassventils    3 ist die mitt  lere     tangentiale    Geschwindigkeit der während  der     Einlassperiode    in den Zylinder strömen  den Luft hoch und im Zylinderraum entsteht  ein starker     Wirbel.     



  Bewegt sich der Kolben in die innere Tot  lage, so wird die im Arbeitszylinder 11 krei  sende Luft (Pfeil 12), wie     in        Fig.    4 für ein       Luftteilchen    gezeigt, in den     Brennraum    7  eingeführt.  



  Das Luftteilchen     unterliegt    zwei     Wirkua-          gen,    nämlich der     Fliehkraftwirkung,    welche  das     Teilchen    nach aussen zu schleudern sucht,      und der     Verdrängerwirkung    des Kolbens,  welche das Teilchen nach der Zylindermitte  hin zu treiben sucht.

   An dem Punkt b des  Randes 14 der Kolbenöffnung 9     überwiegt     die Fliehkraft die     Verdrängerwirkung,    so       da.ss    das Luftteilchen auf seiner Bahn a an  dem Punkt b über den Rand 14 hinweg in  den Brennraum 7 eintritt, und schräg zur  Zylinderachse an dem Umfang des     Brenn-          raumes    entlang strömt, bis es etwa, am Punkt  c sich dem Boden nähert und darauf in  Form einer Spirale d nach der Achse des  Brennraumes hin strömt     imd    dann in einer  Schraubenlinie e von der Erhöhung 8 aus  in     Richtung    auf die Einspritzdüse 5 (Fug. 1)  aufsteigt.

   Die Gesamtheit der Luftteilchen  bildet bei diesem Aufstieg nach Schrauben  linien die Windhose 13 (Fug. 1).  



  Von der Düse 5 wird der Brennstoff in  mehreren über den Umfang verteilten Strah  len durch den obern Teil des     windhosen-          artigen        '9'irbels    13 hindurch unter den Rand  14 der Öffnung 9 in den     Brennraum    7 ein  gespritzt. Bei Beginn der Einspritzung heizt  der mittlere,     windhosenartige    Wirbel 13,  dessen Luft an der heissen Wandung des  Brennraumes     entlanggeströmt    war, den  Brennstoff schon von der     Strahlwurzel    an  intensiv auf, so dass sich ein kleiner     Zünd-          verzug    ergibt.

   Die in der Windhose 13 auf  steigende Luft strömt vor der innern     Totlage     des Kolbens mit der aus     dein        Zv        linderraum     11 noch in den     Brennraum    7 eintretenden  Luft zusammen am Umfang des     Brennra.iimes     7 wieder gegen seinen Boden.     Diese    Luft  wird mit dem aus der Düse austretenden  Brennstoff intensiv gemischt.  



  Am Anfang des Ausdehnungshubes, wenn  der Kolben sich wieder nach     unten    bewegt  (Fug. 3), tritt die     Windhosenströmung    durch  die     Öffnung    9 in den Zylinderraum. Dieses  Heraustreten der Windhose aus dem     Brenn-          raum    7 wird durch die     Saugwirkung    des  Kolbens 2     unterstützt.    Dabei strömt der  letzte Rest der in der Windhose 13 noch vor  handenen frischen Luft durch die Brennstoff  strahlen hindurch, so dass auch der letzte    Rest des Brennstoffes mit frischer Luft ver  mischt wird.  



  Bei der Ausführungsform nach     Fig.    5  und 6 sind ebenfalls ein     Einlassventil    3, ein       Auslassventil    4 und eine gleichachsig zum  Brennraum 7 und in der Zylinderachse an  geordnete Einspritzdüse 5 im Zylinderdeckel  6 gelagert. Der Brennraum 7 ist wiederum  durch einen Rotationshohlraum mit gewölb  ten Wandungen in dem im Zylinder 1 arbei  tenden Kolben 2 gebildet, und zwar hat der  Brennraum 7 wiederum eine kegelförmige  Erhöhung in der Mitte des     Brennraumbodens.     Der Brennraum 7 steht mit dem Zylinder  raum 11 durch eine verengte Öffnung 9 in  Verbindung. deren Durchmesser etwa.     1#,    bis  des Zylinderdurchmessers beträgt.

   Das       Einlassventil    3 ist auch mit einem Schirm 10  versehen, der derart angeordnet ist, dass die  Ladeluft durch das Ventil 3 in annähernd       tangentialer    Richtung in den Arbeitszylinder  raum 11 eingeführt wird und daher in diesem  Raum kreist.  



  Der Kolbenboden besitzt eine kegelför  inige     Abschrägung    15 rings um die Brenn  raumöffnung 9. Infolge der     Abschrägung     15 erweitert sich der Spalt zwischen Kolben  2 und Zylinderdeckel 6 gegen den Rand 14  der Öffnung 9.  



  Bewegt sich der Kolben 2 gegen die  innere     Totlage    (Fug. 5), so fliesst wiederum  die im Zylinderraum 11 kreisende Luft von       diesem    Raum durch die Öffnung 9 in den  Brennraum 7. Infolge der kegelförmigen  Aussparung 15 ist die durch die     Verdränger-          wirkung    hervorgerufene radiale Geschwindig  keitskomponente der Luft bei der Annähe  rung des Kolbens 2 an die innere     Totlage     stark verringert, so dass die sich aus der     Luft-           < lrehung        ergebende    Fliehkraft der Luft am  Rande     1:1    der     Brennraumöffnung    9 über  wiegt.

   Die Luft strömt daher wiederum ent  sprechend den Pfeilen 12 (Fug. 5 und 6) un  mittelbar über den Rand 14 der     Öffnung    9  des Brennraumes 7 in diesen Raum ein und  fliesst schräg an der äussern Wand des     Brenn-          raumes    zu dessen Boden. Die Vorgänge bei  der     Luftwirbelung,    Einspritzung und Ver-           mischung    sind im übrigen wie bei der Ma  schine nach     Fig.    1 bis 3.  



  Der Vorteil der Maschine nach     Fig.    5  und 6 besteht darin, dass die oben geschilderte  günstige Wirbelbildung beim Einströmen der  Luft in den     Brennraum    7 eintritt, ohne dass  die Luft mit übermässig grosser Geschwindig  keit in den     Zylinderraum    11 eingeführt wer  den muss. Der     Durchströmquerschnitt    des       Einlassventils    3     kann    also bei der     Maschine     nach     Fig.    5 und 6 normale Grösse haben.  



  Anstatt die kegelförmige Aussparung am  Kolben anzuordnen, kann sie auch am Zylin  derboden vorgesehen sein.  



  Die Erfindung eignet sich sowohl für  Viertakt- als auch für     Zweitaktmaschinen.  

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH: Einspritzbrennkraftmaschine mit um die Zylinderachse kreisender Luftladung, bei der am Ende des Verdichtungshubes der grössere Teil der Luftladung in einen im Kolben vor gesehenen, als Rotationshohlraum mit ge wölbten Wandungen ausgebildeten Brenn raum mit einer gegenüber dem Brennraum verengten Verbindungsöffnung zum Zylin derraum verdrängt wird,

   in dessen wirbeln den Luftinhalt gegen Ende des Verdichtungs hubes und zu Beginn des Ausdehnungshubes flüssiger Brennstoff durch eine gleichachsig zum Brennraum im Zylinderkopf angeord nete Düse eingespritzt wird, dadurch gekenn zeichnet, dass die mittlere tangentiale Ge schwindigkeit der während der Einlassperiode in den Zylinder einströmenden Luft grösser ist als die maximale Radialzuströmgeschwin- digkeit der Luft am Rande der Kolben öffnung,

   damit gegen Ende des Verdichtungs hubes die um die Zylinderachse kreisende Luft beim Übertritt in den Brennraum in folge der Fliehkraft über den Rand der Öff nung dem Umfang des Brennraumes entlang auf seinen Boden strömt und darauf in einem von diesem aus aufsteigenden mittleren schraubenförmigen Wirbel gegen die Ein spritzdüse zurückströmt.

   UNTERANSPRÜCHE: 1. Maschine nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt zwischen dem Kolben und dem Zylinderboden sich gegen die Brennraumöffnung nicht ver breitert und dass der Durchgangsquer schnitt des Einlassventils so bemessen ist,

   dass die mittlere Geschwindigkeit der wäh rend der Einlassperiode tangential in den Zylinder einströmenden Luft grösser ist als die maximale Padialzuströmgeschwindig- keit der Luft am Rande der Kolbenöff nung gegen Ende des Verdichtungshubes. 2.

   Maschine nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt zwischen dem Kolben und dem Zylinderdeckel sich gegen die Öffnung des Brennraumes ver breitert, damit am Rand der Öffnung die durch die Verdrängerwirkung erzeugte Radialgeschwindigkeit der Luft kleiner wird.