Kolben in einem Verbrennungsmotor mit direkter Kraftstoffeinspritzung Gegenstand der Erfindung ist ein Kolben in einem Verbrennungsmotor mit direkter Kraftstoffeinspritzung aus einer aussermittig angeordneten Düse mit min destens zwei Kraftstoffstrahlen von verschiedener freier Strahllänge und Neigung zur Düsenachse in einem im Kolbenboden versenkten Brennraum von zum Teil mindestens angenähert ellipsoid- oder torroidförmiger
Gestalt, der im oberen Totpunkt des Kolbens angenähert die gesamte angesaugte Luft menge aufnimmt, wobei Mittel vorhanden sind, um die Luft in der Brennkammer in eine um die Brenn raumaxe kreisende Bewegung zu versetzen.
Bei be kannten Motoren solcher Art wird der Kraftstoff aus einer aussermittig am Rande des Brennraumes an geordneten Düse in diesen eingespritzt. Die aus einer Mehrlochdüse austretenden Kraftstoffstrahlen werden vorteilhafterweise so angeordnet, dass sie nach ver schieden langen freien Strecken in entsprechenden Zeitintervallen auf die Brennraumwand auftreffen, und zwar derart, dass ein Kraftstoffstrahl, dem die Funktion eines Zündstrahles beigemessen wird,
auf die heisseste Stelle der Brennraumwand auftrifft.
Nach dem Stande der Technik ist anderseits be kannt, dass man zum Zwecke klopffreier und rauch loser Verbrennung die Brennraumwand nur mit einer beschränkten, Kraftstoffmenge bespritzt, insofern nicht die Gewähr dafür gegeben ist, dass die Umgebung der Auftreffstelle des Kraftstoffstrahles auf der Brenn- raumwand eine höhere Temperatur besitzt als die Auftreffste'lle selbst.
Anders ausgedrückt wird die Forderung nach einem Bespritzen der Brennraum- wand nur an Stellen niederer Temperatur erhoben, wobei allerdings diese Temperatur nicht zu weit über oder unter jener Grenze liegen darf, die der ver wendete Kraftstoff bedingt.
Die Temperatur der Brennraumwand ist in der Hauptsache von der Geschwindigkeit und der Tem- peratur der Verbrennungsgase beeinflusst. Die Tem peratur dieser Gase richtet sich nach der Güte der Verbrennung, deren Wirkungsgrad so hoch wie mög lich sein soll. Daraus ergibt sich für den Konstrukteur die Aufgabe, die Temperatur der Brennraumwand zweckmässig zu steuern,
und zwar mit Hilfe der Ge schwindigkeit der angesaugten Verbrennungsluft, die im Verdichtungshub ungefähr die gleichen Wege, aber in umgekehrter Richtung nimmt wie die Gase im Arbeitshub. Die angesaugte Verbrennungsluft kühlt demnach je nach Richtung und Intensität ihrer Strö mung die Oberfläche des Kolbens sowohl seinen Kopfboden als auch die Brennraumwand. Soll die wirkungsvollste Kühlung der Kolbenfläche bzw. Brennraumwand erreicht werden, muss man die Luft ihr entlang gleiten lassen.
Daraus ergibt sich der Schluss, dass die beste Kühlwirkung bei einem Brenn- raum von der Form eines Rotationskörpers durch eine kreisende Bewegung der Luft um seine Rota tionsachse erzielt wird. Die Mittel hierzu sind bekannt, wie z.
B. Schirme auf den Saugventilen oder hinsicht lich Ansaugwirkungsgrad noch vorteilhaftere tangen- tiale und geradlinige Ausmündungen der Saugkanäle in die Zylinder. Diese Mittel reichen aus, um die Ansaugluft in mathematisch berechenbaren Spiralen in die Brennräume einströmen zu lassen.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Brennraumöffnung von zwei gegenseitig, zur Brennraumaxe :symmetrisch versetzten, mindestens angenähert halbkreisförmigen Linienzügen begrenzt ist und dass die Seitenwand des dem Zylinderraum benachbarten Teiles des Brennraumes durch gerade Erzeugende gebildet ist, die entlang den Linienzügen einen sich mit der Entfernung von der Brennraumaxe stetig ändernden Winkel (a)
mit einer rechtwinklig zur Brennraumaxe verlaufenden Ebene einschliessen, welcher Winkel im von dar Brennraumaxe entfern- testen Punkte grösser als 90 und im nächstliegenden Punkte kleiner als 90 ist.
Die Erfindung verfolgt damit gleichzeitig zwei Zwecke: a) dass ein Teil der Ansaugluft, solange die Ge schwindigkeit in ihr noch beträchtlich ist, die Seiten wand des Brennraumes hauptsächlich dort gut kühlt, wo auf sie vorzugsweise der Zündstrahl auftrifft, und b) dass sich ein, weiterer Teil der Ansaugluft all mählich von der Brennraumwand dort ablöst, wo diese weniger gekühlt sein sohl.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
Fig. 1 ist ein Schnitt durch den Verbrennungs raum im Kolben.
Fig. 2 ist eine Draufsicht auf die Brennkammer nach der Linie<B>A -A</B> in Fig. 2.
Fig. 3 ist eine Draufsicht auf den vom Zylinder umgebenen Kolben, bei abgehobenem Zylinderkopf. Fig. 4 ist ein Querschnitt durch den Kolben. Fig. 5 ist eine Draufsicht auf den Kolben.
Der dargestellte Kolben ist für einen Verbren nungsmotor mit direkter Kraftstoffeinspritzung be stimmt, wobei die im Kolbenboden vorgesehene Brennkammer im oberen Totpunkt des Kolbens an genähert die gesamte angesaugte Luftmenge auf nimmt. Ferner sind Mittel vorgesehen, um die Luft in der Brennkammer in eine um die Brennraumaxe kreisende Bewegung zu versetzen.
Die Wandung 1 der Brennkammer mündet ohne Hals direkt in den Zylinderraum oberhalb des Kolben bodens 2. Die Wand 1 des Brennraumes bildet mit dem Kolbenboden 2 am Rande der Verbindungs öffnung die Kanten 3 und 3'. Die Verbindungsöffnung des Brennraumes, der im unteren Teil des Beispiels eine torroidähnliche Form aufweist (mit gestrichelten Linien ist eine weitere mögliche Ellipsoidform an gedeutet), ist in zwei gleiche Hälften geteilt, die gegenseitig zur Brennraumaxe 5, welche vorzugs weise zugleich Zylinderaxe ist,
symmetrisch um die Exzentrizität e.12 versetzt sind. Der grösste Durch messer des im Querschnitt kreisförmigen unteren Teils des Brennraumes ist mit Dr;
bezeichnet. Über einer der beiden Ausnehmungen, die durch die Ver setzung der Öffnungshälften zwischen den Punkten 3 und 3' ihres Randes geschaffen werden, mündet im Zylinderkopf das Einspritzventil 6 ein, das in einer beliebig, aber zur Brennraumachse 5 zweckmässig geneigten Lage eingebaut ist.
Vorzugsweise kann die Achse des Einspritzventils 6 in der Ebene liegen, die von der Brennraumachse 5 und der Achse 7 der Versetzung der beiden Öffnungshälften gebildet wird. Die Kraftstoffstrahlen I und II, die verschiedene freie Strahllängen und verschiedene Neigungen zur Achse des Einspritzventils 6 aufweisen, treffen mit ihren Strahlkernen auf die Brennraumwand 1 knapp unter ihrem Rande auf.
Der obere Teil der Brennraumwand 1 ist durch gerade Erzeugende gebildet. Diese ändern entlang der beiden halbkreisförmigen Hälften stetig ihre Neigung, wobei an den Enden der Hälften, das heisst am entferntesten Punkt 3' von der Brennraum achse bzw. am nächstliegenden Punkt 3 spitze und stumpfe Winkel (a) bzw.
(ä) zwischen den Erzeu genden und einer Ebene senkrecht zur Brennraum- achse bilden. Beide Öffnungshälften sind mindestens angenähert halbkreisförmig begrenzt und gehen an den äusseren Enden 3 und 3' in viertelkreisförmige Ausnehmungen über. Ein solcher Verbrennungsraum lässt sich maschinell nicht bearbeiten; die Giesserei technik ist jedoch so weit fortgeschritten, dass sie ein sauberes und genaues Abgiessen des Brennraumes in einer Kokille ermöglicht.
Für diesen Kokillenguss eignet sich die Brennraumform recht gut, wenn sie auch bei den Abmessungen nach Fig. 1 und 2 zwei Kerne benötigt.
Die Erzeugung eines solchen Kolbens wird also billiger als die eines Kolbens mit einem in bisher üblicher Weise bearbeiteten Brennraum. Eine glatte Bearbeitung auf einer Zerspanungsmaschine ist deshalb überflüssig, weil die kleinen Unebenheiten einer in Kokille abgegossenen Brennraumwand dem Abdampfen und Abprallen und damit der Zerstäu- bung und Durchmischung des aufgespritzten Kraft stoffes mit der strömenden Luft zugute kommen.
Wie die Luft aus dem Raum über dem Kolben in den Brennraum überströmt, zeigt in Fig. 3 die Lage von Stromfäden B. Die Stromfäden 8 der im Zylinder raum über dem Kolben kreisenden Luft passen sich auf der Seite des Punktes 3' dem Rande der Brenn- kammer von der Form eines Halbkreises an, während sie auf der Seite des Punktes 3 bereits einen sicht lichen Einfluss der radialen Komponente der Luft einströmung in den Brennraum aufweisen. Dort gleitet schon nicht mehr die Luft der Wandung 1 entlang in den Brennraum, sondern löst sich bereits von ihr ab.
Die Temperaturen in der Brennraumwand haben demnach im Strömungssinne vom Punkte 3' bis zum Punkte 3 eine ständig anwachsende Tendenz.
Zur Regelung der Temperatur in der Wandung 1 des Brennraumes dort, wo die beiden Kraftstoff strahlen 1 und II aus dem Einspritzventil 6 auf treffen, ist zwischen den beiden Augen 9 des Kolben bolzens auf der Unterseite des Kolbenbodens eine Reihe von radialen Rippen 10 angeordnet, wie dies in den Fig. 4 und 5 angedeutet ist. Zwischen diese Rippen 10 wird nun auf bekannte Weise von unten her, vorteilhaft in Form eines fächerförmigen Strahles, Öl eingespritzt, wie dies in Fig. 4 durch drei einzelne Strahlfäden 11 gezeigt ist.
Durch die Vergrösserung der Kühloberfläche mit Hilfe tiefer Rippen wird der Kühlwirkungsgrad durch Anspritzen von Öl derart verbessert, dass die Kühl ölmenge im Kühlölkreislauf und damit auch im be schränkten Umfang die Reibungsverluste des Motors herabgesetzt werden können.
Falls auch auf der Gegenseite solche Rippen vor handen sind, muss beim Kolbeneinbau in den Motor nicht mehr darauf geachtet werden, dass sich die Rippen auf der Seite des Ölstrahles befinden.
Die Ebene, die die Brennraumaxe 5 und die Axe 7 enthält, schliesst mit der die Brennraumaxe 5 und die Kolbenbolzenachse enthaltenen Ebene entgegen der Lufteinströmung einen Winkel kleiner als 90 ein.