Verfahren zum Kaltstarten eines schnellaufenden Dieselmotors Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kaltstarten eines schnellaufenden Dieselmotors mit im Kolben liegendem rotationskörperförmigem Verbrennungsraum und schräg ausserhalb der Mitte im Zylinderdeckel angeordneter Düse, bei dem der Kraftstoff als Film auf die Wandung des Brenn- raumes aufgebracht und zugleich der einströmenden Luft eine solche Drehbewegung erteilt wird, dass hierdurch der Kraftstoff in Dampfform von der Wandung allmählich abgelöst, vermischt und ver brannt wird.
Dieses Verfahren besitzt den Vorteil, eine sehr grosse Wirtschaftlichkeit der Kraftstoffausnutzung mit einem ruhigen Gang des Motors zu vereinen; dies wird durch die Eigenart der Aufspritzung des Kraftstoffes auf die Wandung des Brennraumes er reicht, wobei der Kraftstoff durch die Wärme der Brennraumwandung an der letzteren aufdampft und im dampfförmigen Zustand mit der Luft vermischt wird.
Beim Starten des kalten Motors ist nun die Brenn- raumwand noch nicht erwärmt und die Verdampfung des eingespritzten Kraftstoffes geht so langsam vor sich, dass anfänglich nur ein kleiner Teil desselben zur Verbrennung gelangt. Für die eigentliche Zün dung in der verdichteten Luft steht dann nur die kleine Menge Kraftstoff zur Verfügung, die unmittel bar auf die Luft verteilt ist und die in der gleichen Weise wie bei einer Dieselmaschine üblicher Bauart die zur initialen Zündung erforderliche Zerfalls reaktion durchmacht.
Man kann nun an sich das Startverhalten von Dieselmotoren dadurch verbes sern, dass man für den Kaltstart die eingespritzte Brennstoffmenge über die normale Vollastmenge we sentlich vergrössert und dadurch eine intensive Zer- stäubung durch die Düsen herbeiführt. Nach dem eingangs erwähnten Verfahren ist jedoch im Brenn- raum eine kräftige Drehung der Verbrennungsluft in Richtung des Brennstoffstrahlflusses vorgesehen, und diese Luftbewegung würde nun die Vorteile der vermehrten Kraftstoffeinspritzung im Startbetrieb wieder zunichte machen,
da infolge der vorhandenen Gleichsinnigkeit von Luft- und Kraftstoffstrom die durch die vermehrte Starteinspritzmenge gebildeten feinen Zerstäubungsteile wieder auf die Wand ge worfen und damit dem Zerfallvorgang in der heissen Verbrennungsluft entzogen würden. Für den Kaltstart ist also dieser Vorgang, der beim normalen Lauf der Maschine einen Vorteil darstellt, nachteilig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, in Verbindung mit dem bekannten Einspritz- und Gemischbildungsverfahren Massnahmen anzugeben, durch die diese Nachteile während des Kaltstartes vermieden werden.
Diese Aufgabe wird beim erfindungsgemässen Verfahren dadurch gelöst, dass während des Andre- hens der Maschine nur 2 bis 10% der Einspritz- menge auf die Brennraumwandung (wandverteilt) und der Rest in die im Brennraum verdichtete Luft (luft verteilt) eingespritzt wird.
Um dies zu erreichen, kann die Richtung des eingespritzten Kraftstoff strahles oder mehrerer Kraftstoffstrahlen beim Kalt start derart geändert werden, dass keine oder höch stens nur eine geringfügige Berührung des Kraft stoffes mit der Brennraumwand stattfindet.
Dies kann dadurch verwirklicht werden, dass die Einspritzdüse bzw. die Düsenmündung während des Kaltstartes entsprechend gedreht wird. Die Kraftstoffeinspritzung ist also dann nicht mehr tangential auf die Brenn- raumwandung, sondern sehnenartig in den Brenn- raum selbst gerichtet. Nach erfolgter Zündung beim Kaltstart wird die Düse wieder in die Betriebslage zurückgedreht,
um die bei dieser Lage durch die vorwiegende Wandberührung des Kraftstoffes erreich- bare ruhige Arbeitsweise des Motors zu gewähr leisten.
Zur Erreichung des genannten Zieles kann da durch beigetragen werden, dass während des Kalt- startes die Drehgeschwindigkeit bzw. Drehrichtung der Verbrennungsluft vermindert oder sogar umge kehrt, das heisst dem Kraftstoffstrahl entgegenge- richtet werden. Gegebenenfalls kann während des Kaltstartes die Luftdrehung auch ganz unterbunden werden. Die Drehung der Verbrennungsluft wird üblicherweise durch ein abgeschirmtes Ventil oder durch die Ausbildung des Ansaugkanals als Spiral- kanal herbeigeführt.
Bei beiden Anordnungen gibt es Mittel, um die erzeugte Drehgeschwindigkeit der Luft zu verändern oder auch ihren Drehsinn umzukehren. So kann beispielsweise bei einem abgeschirmten Ven til durch Verdrehen des Schirmes um 180 der Dreh sinn der Luft völlig umgekehrt werden; bei einer Verdrehung des Schirmes um 90 besitzt die Luft überhaupt keine Drehbewegung mehr und bei Ver drehung um 45 ist die Drehbewegung wesentlich verkleinert.
Wird nun etwa durch Verdrehen des Ventilschir- mes um 1809 der Drehsinn der Luft umgekehrt, so wird die relative Geschwindigkeit zwischen Kraft stoffstrahl und Luft, die bei gleichsinniger Strömung sehr gering ist, sehr gross; dies hat zur Folge, dass der Kraftstoffstrahl vom Gegenluftstrom zerrissen wird und die auf diese Art zerstäubten Kraftstoff teilchen nicht mehr auf die Wand des Brennraumes gelangen können, sondern auf einer Kurve nach dem Inneren des Brennraumes abgelenkt werden.
Diese Kurve ist durch die kinetische Energie der Kraftstoffteilchen und die wirksamen Luftkräfte be stimmt. Auf diese Art bietet sich eine Möglichkeit, die für den Kaltstart des Motors vorgesehene Dosie rung für den Luft- und wandverteilten Kraftstoff anteil zu beeinflussen. Der ungefähr gleiche Effekt wird erreicht, wenn durch Verminderung der Dreh geschwindigkeit der Luft, also bei einer Schirm verstellung von z. B. 90" die zentrifugierende Wirkung der Luft auf die feinen zerstäubten Kraftstoffteilchen verringert wird.
In diesen Fällen bleiben die Brenn stofftröpfchen, die infolge ihrer Feinheit für eine schnelle Zündeinleitung bedeutungsvoll sind, lange genug in der Luft schweben, um zu einer sofortigen Zündung zu kommen.
Die vorgenannten Massnahmen werden kom biniert angewendet, indem beispielsweise sowohl die Einspritzdüse . verdreht als auch gleichzeitig die Drehgeschwindigkeit der Luft verringert wird.
Eine weitere mögliche Massnahme besteht darin, dass an der Einspritzdüse eine besondere Austritts öffnung vorgesehen ist, durch die neben der Haupt einspritzung ein Kraftstoffstrahl von im voraus fest zulegender Stärke in das Innere des Brennraumes gerichtet ist, wodurch der luftverteilte Anteil des Kraftstoffes ebenfalls vergrössert wird. Eine Drehung der Düse beim Kaltstart ist in diesem Falle nur noch bedingt oder überhaupt nicht erforderlich.
Allerdings besteht bei dieser Massnahme die Schwierigkeit, dass ausser beim Kaltstartbetrieb auch im normalen Be trieb eine grössere Menge des Kraftstoffes luftverteilt eingespritzt wird, was mit den nachteiligen Folgen verbunden ist, die durch die Wandverteilung des Kraftstoffes gerade vermieden werden sollen. Die vorgenannte Schwierigkeit lässt sich jedoch weit gehend dadurch beseitigen, dass der für die Neben einspritzung vorgesehenen besonderen Öffnung der Einspritzdüse der kraftstoffunabhängig von der Haupteinspritzung und in regelbarer Weise zuge führt wird oder dass .eine Vorrichtung vorgesehen wird, wodurch dieser besondere Düsenauslass für sich allein gesteuert werden kann.
Die Erfindung umfasst auch einen Dieselmotor zur Durchführung dieses Einspritz- und Gemisch- bildungsverfahrens.
In der beiliegenden Zeichnung sind Vorrichtun gen zur Durchführung des Verfahrens nach der Er findung in mehreren Beispielen dargestellt, und zwar zeigt: Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Kolben mit im wesentlichen rotationskörperförmigem Brennraum und Einzeichnung der Strahllagen des eingespritzten Kraftstoffes für Normalbetrieb und Kaltstartbetrieb, Fig. la einen Längsschnitt durch einen Zylinder mit Kolben,
Fig. 2a bis 2e Draufsichten auf einen Zylinder deckel mit an sich bekanntem Einlassschirmventil, unter schematischer Andeutung der durch Verdre hung des Schirmes erzielbaren Luftströmungsände- rungen, Fig. 3 einen Brennraum ähnlich wie in Fig. 1 mit schematischer Andeutung des Strahlweges für ein fein zerstäubtes Kraftstoffteilchen unter der Voraus setzung, dass Kraftstoffstrahl und Luftbewegung gleichsinnig gerichtet sind,
Fig. 4 denselben Brennraum wie in Fig. 3, jedoch mit schematischer Andeutung des Strahlweges für das gleiche Kraftstoffteilchen unter der Voraussetzung, dass die Luftbewegung dem Kraftstoffstrahl entgegen gerichtet ist, Fig.5 einen Brennraum wie vor mit Einzeich nung .eines aus einer besonderen Öffnung der Ein spritzdüse austretenden Zündstrahles, Fig.6 bis 8 Längsschnitte durch Zylinder mit Einspritzdüsen und Kolben.
Gleiche Teile sind in den Figuren der Zeichnung mit gleichen Bezugszeichen benannt.
In Fig. 1 ist 1 der Kolbenboden, in dem die den Brennraum bildende Kolbenmulde 2 eingebettet ist. In dem Ausschnitt 3 der Mündung des Brennraumes oder Brennraumöffnung ist schematisch die Düse 4 angedeutet, deren Brennstoffstrahl 5 normalerweise auf die Brennraumwand 6 gerichtet ist und dort bei 5a tangential auftrifft. Unter 7 ist die Drehrich tung der Luft im Brennraum angegeben, die gleich sinnig zur Kraftstoffeinspritzung gerichtet ist. Beim Kaltstart wird nun durch Drehen der Düse 4 der Brennstoffstrahl 5 in die gestrichelt gezeichnete Lage 8 oder 9 gerichtet, je nachdem in welcher Weise der Kraftstoffstrahl der Luftbewegung zugeordnet sein soll.
In der Kraftstoffstrahllage 8 durchkreuzt die ser Strahl mit nunmehr grossem Strahlweg die um die Brennraumachse rotierende Luftströmung, so dass auf diese Art bei der durch die Startdrehzahl des Motors sich ergebende Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft, wie auch durch praktische Ver- suche ermittelt wurde, höchstens 10% der Kraft- stoffmenge in der vorgeschlagenen Weise auf die Brennraumwand gelangt,
während sich der Rest der Kraftstoffeinspritzmenge unmittelbar mit der Luft vermischt. In der Lage 9 der Kraftstoffstrahlrichtung ist der Strahl der Luftbewegung entgegengesetzt. In diesem Fall ist die Zerreissung des Kraftstoffstrahles noch intensiver, so dass hierdurch die untere Grenze von 2% Wandanlagerung erreicht wird.
In Fig. 2 sind die verschiedenen möglichen Be einflussungen der Lufteinströmrichtung durch Ver änderung der Einstellung des Schirmes bei einem an sich bekannten Schirmeinlassventil schematisch veranschaulicht, wobei Fig. 2a die normale oder Be triebsstellung des Schirmventils zeigt. Das im Deckel 10 des Zylinders angeordnete Schirmventil<B>11</B> mit Schirm 12 bewirkt in dieser Stellung, dass die durch den Einlasskanal 13 zuströmende Luft 14 im Zuge der gestrichelt angedeuteten Pfeilrichtung 15 in den Zylinder ausströmt, wodurch die erwünschte Dreh richtung in der Pfeilrichtung 16 im Zylinder zustande kommt.
Wird der Schirm 12, wie die in Fig. 2b ge zeigt ist, um 90 verdreht, dann kann die Luft so wohl in Pfeilrichtung 15 als auch in der entgegen gesetzten Pfeilrichtung 17 ausströmen und es ent steht keine Drehbewegung mehr im Zylinder. Wird schliesslich der Schirm 12 um 180 gegenüber seiner ursprünglichen Lage verdreht, so dreht sich der Drehsinn der Luft im Zylinder völlig um, wie dies in Fig. 2c durch die Pfeilrichtung 18 angedeutet ist.
Beim Kaltstart ist also der Schirm in die Stellung der Fig.2b oder 2c gedreht, und gleichzeitig wird der Kraftstoff durch eine hier nicht dargestellte Düse derart in den Brennraum eingespritzt, dass in Ver- bindung mit der Luftbewegung nur 2 bis 10% der Einspritzmenge auf die Brennraumwand gelangt.
In Fig. 3, deren Brennraum im wesentlichen dem jenigen von Fig. 1 entspricht, ist mit 6 wieder die Brennraumöffnung im weiter nicht dargestellten Kol ben bezeichnet. Die betriebsmässige Drehbewegung der Luft ist schematisch durch die Pfeilrichtung 16 versinnbildlicht. Die Achse eines Kraftstoffstrahles, der aus der Düse 4 auf die Brennraumwand ausge spritzt wird, ist mit 19 bezeichnet. Ein vom Kraft stoffstrahl abgesplittertes Kraftstofftröpfchen 20 möge nun ohne Einflussnahme von Luftkräften die Rich tung 21 haben.
Treten nun Luftkräfte im Sinne der durch die Pfeile 16 angegebenen Luftdrehung auf, so wird das Kraftstofftröpfchen 20 auf der punktiert gezeichneten Bahn 20a auf die Brennraumwand 6 zentrifugiert. Wenn sich nun, wie in Fig.4 darge stellt, die Drehrichtung der Luft entsprechend den Pfeilen 18 umkehrt, dann ändert sich die Bahn des Tröpfchens 20 entsprechend der gepunkteten Linie 22, und der Kraftstofftropfen legt dabei einen grösse ren Weg in der Luft zurück, so d'ass er während seiner relativ langen Flugzeit chemisch zerfällt und luftverteilt zündet.
In Fig.5 ist dargestellt, wie ein verbesserter Kaltstart gegebenenfalls auch ohne Drehung der Ein spritzdüse mittels eines zusätzlichen Zündstrahles bewirkt werden kann. Mit 6 ist wiederum die Brenn- raumöffnung bezeichnet und die Drehrichtung der Luft ist unter 16 angegeben. Aus der Düse 4 wird der Hauptbrennstoffstrahl 5 konstant, das heisst für alle Betriebszustände - also auch beim Kaltstart auf die Brennraumwand 6 -aufgetragen.
Die Düse 4 ist jedoch mit einer besonderen Austrittsöffnung 4a versehen, aus der ständig ein weiterer Kraftstoff strahl 23 als Zündstrahl für den Kaltstart gegen das Zentrum des Brennraumes hin austritt. Es können dabei weitere Mittel mit vorgesehen werden, um die Düsenöffnung 4a für sich allein mit Kraftstoff zu versorgen oder dieselbe durch selbständiges, öff nen und Schliessen zu steuern. Der Kraftstoffstrahl. 23 ist, abgesehen davon, dass er die Brennraumwand nicht berührt, ausserdem vorzugsweise noch gegen die Drehrichtung 16 der Luft geführt, so dass eine möglichst starke Luftverteilung ohne Wandberührung stattfindet.
In Fig. la ist ein im Kolben 4 angeordneter Brennraum 6 mit einer an der Mündung angeord neten Abschrägung 6a dargestellt. Der Kraftstoff wird aus der Düse 8 tangential auf die Wandung des Verbrennungsraumes in Form eines Filmes aufge spritzt. Die Richtung der Luftströmung ist im we sentlichen dieselbe wie die des Kraftstoffstrahles. Der Einlasskanal 10 ist hier im Zylinderkopf angeordnet.
Ausserdem ist hier noch das Einlassventil dargestellt, dessen Kopf 14 auf dem Ventilsitz 12 aufsitzt und dessen Schaft mit 16 bezeichnet ist. Auf dem Ventil kopf ist ein Schirm 18 angeordnet, der sich .etwa auf einen Winkelbereich von 45 erstreckt. Die Stel lung des Ventils kann durch Drehen des Ventils verändert werden. Zu diesem Zweck ist am Ventil kopf eine verzahnte Scheibe 20 befestigt, deren Ver zahnung mit der Verzahnung eines Verstellgliedes 22 in Eingriff steht, so dass je nach Verschiebung die ses Gliedes 22 der Ventilschirm 18 in seine jeweils vorgesehene Lage verdreht werden kann.
In den Fig. 6 und 7 ist eine verdrehbare Düse dargestellt. In diesem Falle ist mit 44 der Düsen halter einer Düse 4 bezeichnet, die im Zylinderkopf 30 drehbar gelagert ist. Zum Zwecke der Verdrehung des Düsenhalters ist ein Verstellhebel 45 vorgesehen. Die Zylinderwandung ist hier mit 31 und der Maschi nenkolben mit 32 bezeichnet.
Beim Kaltstart wird die Düse 44 mittels des Hebels 45 in ihre in Fig. 6 dargestellte Lage verdreht, so dass der aus der Düsen mündung 4a austretende Kraftstoffstrahl 5 unmittel bar in die im Verbrennungsraum vorhandene Ver brennungsluft eindringt. Im anderen Falle, also bei normalem Lauf der Maschine, wird der Düsenhalter 44 mittels des Hebels 45 in die in Fig. 7 dargestellte Lage verdreht, so dass der aus der Mündung 4a austretende Kraftstoffstrahl 5 im Sinne einer Film auftragung auf die Brennraumwand auftrifft.
Die Teile in Fig. 8 der hierin dargestellten Brenn- kraftmaschine sind dieselben wie in Fig.6 und 7. Jedoch sitzt bei dieser Anordnung der Düsenhalter 44 fest im Zylinderkopf 30, wobei die Düse 4 ausser ihrer Hauptaustrittsöffnung, aus welcher der Kraft stoffstrahl 5 gegen die Wandung des Brennraumes 2 gespritzt wird, noch eine Hilfsöffnung 4a besitzt, von der aus ein getrennter Kraftstoffstrahl 23 unmittel bar in das Brennrauminnere gerichtet ist.
Jeder die ser Düsenaustrittsöffnungen wird der Kraftstoff durch besondere Kanäle 46, 47 innerhalb des Düsen halters und damit in Verbindung stehenden Leitun gen 46a, 47a ausserhalb des Düsenhalters zuge führt, wobei in jeder dieser Zuleitungen ein Re gelorgan 48 bzw. 49 angeordnet ist, so dass es möglich ist, die Zufuhr des Kraftstoffes zu der Hauptaustrittsöffnung unabhängig von der Kraftstoff zufuhr zur Hilfsöffnung 4a im Sinne der beim Start vorgesehenen prozentualen Kraftstoffluftverteilung und Kraftstoffwandanlagerung zu regeln.