Einspritzbrennkraftmaschine mit Selbstzündung des Kraftstoff Luftgemisches Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit lokalisierter Selbstzündung des in einen dreh körperförmigen Brennraum eingespritzten Kraft stoffes, wobei dieser Brennraum einen seine Tiefe überragenden grössten Durchmesser besitzt, entweder im Kolben- oder im Zylinderkopfboden zur Zylinder achse symmetrisch oder versetzt angeordnet ist und im obern Totpunkt des Kolbens nahezu das gesamte angesaugte Luftvolumen beinhaltet,
welches vorher bereits zum Kreisen um die Zylinderachse veranlasst wurde und in welches vor der obern Totpunktlage des Kolbens der Kraftstoff aus einem zur Brenn- raumachse versetzten mit einer Mehrlochdüse ausge statteten Einspritzventil eingespritzt wird.
Der Stand der Technik kennt die Vorteile des teilweisen Überspritzens des Brennraumrandes mit einer kleinen Kraftstoffmenge aus dem Mantel eines von mehreren Kraftstoffstrahlen, welches über spritzen eine hohe Luftausnützung, das heisst hohe Mitteldrücke, auf den Kolben an der Rauchgrenze und vor allem eine klopffreie Verbrennung des Kraft- stoff-Luftgemisches zur Folge hat, wobei der Kraft stoff ausschliesslich im Sinne der um die Brennraum- achse kreisenden Luftströmung in diese eingespritzt wurde.
Ein Nachteil dieser Kraftstoffeinspritzung in Richtung der kreisenden Luftströmung ist z. B. die Notwendigkeit, an einem Mehrzylindermotor ent weder für jeden Zylinder getrennte Zylinderköpfe (bei Wasserkühlung umständlich) oder in Zylinder köpfen, die mehreren Zylindern gemeinsam sind, als Ansaugventile Schirmventile zu verwenden. Dies deshalb, damit beim Einspritzen des Kraftstoffes in Richtung des um die Brennraumachse kreisenden Luftstromes ein einheitlicher Düsentyp verwendet und die Luftdrehung der Düsenstrahllage angepasst werden kann.
Die Erfindung trachtet diesen Nachteil zu besei tigen und bei gleicher Verbrennungsgüte (das heisst bei hohen Kolben-Mitteldrücken an der Rauchgrenze und einem klopffreien Verbrennungsablauf) die An wendung des Überspritzens auch auf Motoren sol cher Konstruktion zu ermöglichen, bei welchen der Brennraum aus der Zylinderachse derart aussermittig versetzt ist, dass sich in ihm noch ein nahezu symme trisches Strömen der Luftfüllung um seine Achse er hält.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass von einer Mehrzahl symmetrisch um die Düsen achse angeordneter Düsenbohrungen die eine, die dem Rande der Brennraumöffnung am nächsten liegt und gegen diesen Rand hin nahezu zadial in Rich tung der Düsenversetzung ausgerichtet ist, ihren Kraftstoff so gegen diesen Öffnungsrand spritzt,
dass ein Kraftstoffanteil dieses kürzesten aller Kraftstoff strahlen in den Spalt zwischen Kolben und Zylinder- kopf der dort in den Brennraum überströmenden Luft mindestens teilweise entgegen eindringt, der andere Kraftstoffanteil jedoch in den Brennraum gelangt, wobei die Kraftstoffstrahlen aus den übrigen Düsenbohrungen ihren Kraftstoff mit grösseren freien Strahllängen im Brennraum gegenüber dem kürzesten Strahl zeitlich verspätet auf seine Wandung auftreffen lassen.
Damit bei dem Einspritzen des Kraftstoffes durch die genannten übrigen Düsenbohrungen keine weiteren Selbstzündungsherde auftreten, werden vor teilhaft die aussermittige Versetzung und die Neigung des Einspritzventils gegenüber der Brennraumachse so eingeschränkt, dass das Verhältnis der freien Strahllänge des kürzesten Kraftstoffstrahles (Zünd- strahles)
zur freien Strahllänge des längsten der übrigen Kraftstoffstrahlen nicht kleiner ist als 1 : 2,5. Weitere Selbstzündungsherde würden nämlich den klopffreien Verbrennungsablauf ungünstig beein flussen. Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung erläutert.
Fig. 1 ist ein Schnitt durch Zylinderkopf und Kolben, und Fig. 2 ist eine Ansicht des Kolbenbodens gemäss dem ersten Beispiel, bei dem sich der Brennraum im Kolben befindet.
Fig. 3 ist eine Innenansicht des Zylinderkopfes, in welchem sich gemäss dem zweiten Beispiel der Brennraum befindet, und Fig. 4 ist ein Schnitt durch Zylinderkopf und Kolben.
In Fig. 1 ist der Kolben 1 in einer Entfernung von der strichliert angedeuteten obern Totpunktlage 2 eingezeichnet, welche Entfernung dem optimalen Augenblick des Auftreffens des (kürzesten) Zünd- strahles 3 auf den Rand 4 der Wandung 5 des Brennraumes entspricht, wobei dieser Rand 4 von einem kleinen Kraftstoffanteil aus dem Mantel des Zündstrahles 3 an der Stelle 6 überspritzt wird.
Der Brennraum 5 weist vorzugsweise die bekannte Form einer Birne auf, das heisst im Unterteil die Form eines strichliert angedeuteten Rotationsellipsoides 7 mit einem aufgesetzten Kegelstumpf, der mit dem Kolbenboden 8 des Kolbens 1 eine scharfe Kante 4 bildet. Die Tiefe des Brennraumes ist kleiner als sein grösster Durchmesser.
Bei rotationsförmigen Brennräumen kann diese Kante 4 auch durch einen zylinderförmigen, kegel förmigen oder auch abgerundeten Hals ersetzt wer den, ohne dass die beabsichtigte Wirkung beeinträch tigt wäre. Wesentlich ist ein geringfügiges über- spritzen des Randes 4 der Brennraumwand 5. Die Temperatur im Rande 4 hängt nicht von der Form des Randes ab, sondern nur vom Verhältnis des grössten Brennraumdurchmessers zum Durchmesser der Verbindungsöffnung (2r).
Deshalb ist die Form des Brennraumhalses bei kleiner Halshöhe fast ohne Bedeutung für den Zündvorgang. Wichtig ist nur, dass die einströmende Luft eine merkliche Kompo nente entgegen der Richtung des Zündstrahles auf weist, was praktisch immer der Fall ist, da sie von allen Seiten her über den Kolbenboden gegen die Brennraumöffnung hin strömt (Quetschströmung).
Das Einspritzventil 9 im Zylinderkopf ist in der Ebene und Richtung seiner Versetzung gegenüber der Brennraumachse um den Winkel a derart ge neigt, dass für die optimale Lage der dem Zündstrahl 3 benachbarten Kraftstoffstrahlen 10 eine aus Her stellungsgründen wie auch aus Gründen eines für jeden Kraftstoffstrahl gleichen Einspritzgesetzes zur Düsenachse 11 symmetrische Anordnung der Aus- spritz-Düsenbohrungen gewählt werden kann.
Die optimale Anzahl, Lage und Grösse der Bohrungen der Kraftstoffstrahlen 10 einschliesslich des Zünd- strahles 3 werden von den Abmessungen des Brenn- raumes, der Intensität der Luftströmung in ihm und von der Einspritzeinrichtung selbst bestimmt.
Wenn der Zündstrahl 3 die Brennraumwand 5 gerade er reicht, sind die übrigen Kraftstoffstrahlen 10 von dieser Wand 5 noch um eine Zeitspanne entfernt, die der Versetzung der Düse bei gegebener Strahl- gesehwindigkeit im verdichteten Medium entspricht. Bevor diese Strahlen 10 auf die Brennraumwand 5 auftreffen, wo sie sich bei der heftigen Luftströmung erst entzünden können, hat bereits der Zündstrahl 3 das Gemisch von einem Punkte 6 seines Mantels aus gezündet. Die Zündflamme breitet sich durch die Lufströmung bevorzugt in deren Richtung auf die übrigen Strahlen 10 aus.
Die Richtung der Luft bewegung bzw. ihrer Wirbelströmung um die Brenn- raumachse ist in den Fig. 1 und 2 durch den spiral förmigen Pfeil 12 angedeutet.
Die aussermittige Versetzung e des Brennraumes 5 soll ein gewisses Mass nicht überschreiten, das durch die Forderung nach Erhaltung der Luftströ mung um die Brennraumachse bei kleinstmöglichen Radialkomponenten gegeben ist. Eine weitere Ver setzung der Einspritzdüsenachse 11 ist durch die eingangs erwähnte Bedingung gegeben, dass der längste Kraftstoffstrahl 10 höchstens die 2,5fache freie Strahllänge des Zündstrahles 3 aufweisen soll.
Eine vorteilhafte Düsenversetzung e' gegenüber der Brennraumachse lässt sich nach der nachstehen den Formel bestimmen:
EMI0002.0069
In dieser Formel bedeuten:<B>10</B> die freie Strahl länge des (kürzesten) Zündstrahles, 11 die durch schnittliche freie Strahllänge der benachbarten Kraft stoffstrahlen;
das Verhältnis h wird je nach der 0 Neigung der Brennraumseitenwand zur Kolbenboden- fläche (Brennraumeinschnürung) und damit je nach der Temperatur im Rande der Verbindungsöffnung des Brennraumes mit dem Raume über dem Kolben zweckmässig in den Grenzen von 1,1 bis 1,5 gewählt. r ist der Halbmesser dieser Verbindungsöffnung und ss der Winkel zwischen zwei benachbarten Kraftstoff strahlen einer symmetrisch gebohrten Mehrlochdüse, zemessen in nach der Formel:
EMI0002.0080
worin i die Gesamtzahl der Düsenöffnungen be zeichnet.
Der Winkel a der Düsenhalterneigung wird nach den Abmessungen des Brennraumes und weiteren Konstruktionsdaten festgelegt, vor allem vom Ge sichtspunkte aus, dass die dem Zündstrahl benach barten Kraftstoffstrahlen auf Brennraumwandstellen von merklich niederer Temperatur auftreffen sollen. Deshalb wird der Winkel a zweckmässig negativ, das heisst gegen die Richtung der Düsenversetzung e', gewählt, je nach dem Verhältnis des grössten Brenn- raumdurchmessers zur Tiefe des Brennraumes.
Eine derartige Lage des Einspritzventils und seiner Düse zur Brennraumachse macht es notwen dig, dass die Mehrlochdüse auf bekannte (genormte) Art gegenüber dem Düsenhalter und dieser wieder gegenüber der Richtung seiner aussermittigen Ver setzung gesichert werden.
Die Fig. 3 und 4 zeigen ein Beispiel für die An ordnung des Brennraumes 5 im Zylinderkopf 13. Dieses Beispiel bezieht sich auf einen Zweitaktmotor, bei welchem keine Ventile der Unterbringung des Brennraumes 5 im Zylinderkopf 13 entgegenstehen und bei dem das Spülsystem eine mehr oder weniger starke Drehung der Luft um die Brennraumachse in diesem Brennraum ermöglicht. Der Brennraum liegt hier koaxial zum Zylinder.
Der Unterschied zwischen dieser Anordnung und derjenigen nach Fig. 1 und 2 besteht im gegebenen Falle, der nur eine von mehreren möglichen Alter nativen darstellt, darin, dass sich gemäss Fig. 3 und 4 alle Kraftstoffstrahlen in einer konstanten relativen Lage zum Brennraumrande 4 befinden. Bei der Be stimmung des Winkels a der Düsenhalterachse 11 ist es notwendig, eben von dieser konstanten Relativ lage auszugehen.
Der Zündstrahl 3 überspritzt auch hier den Rand 4 des kurzen Halses des Brennraumes 5, womit ein kleiner Kraftstoffanteil seines Strahl mantels der überströmenden Luft entgegen direkt auf den Boden 8 des Kolbens 1 gespritzt wird, wel cher Boden 8 mit Rücksicht auf die besonders hohe Wärmebeanspruchung im 2-Takt-Betrieb eben (mit möglichst kleiner Oberfläche) gewählt ist, aber trotz dem vor allem gegen die Mitte zu so hohe Tempe raturen aufweist, dass die gewünschte rasche Ent zündung der überspritzten Kraftstoffmenge aus dem Mantel des Zündstrahles 3 mit einem merklichen zeitlichen Vorsprung vor den übrigen Kraftstoff strahlen 10 gewährleistet ist.
Diese übrigen Kraft stoffstrahlen 10 treffen also später als der Zünd- strahl auf weniger heisse Stellen der von aussen ge kühlten Brennraumwand 5 auf, und zwar ausschliess lich innerhalb des Brennraumes 5, ohne Kraftstoff anteile in den Spalt zwischen Zylinderkopf 13 und Kolbenboden 8 gelangen zu lassen.
Eine wichtige Folge der aussermittigen Düsen versetzung sei noch anhand der Fig. 3 erläutert. Die spiralförmige und zur Brennraumachse konzentrisch kreisende Luftströmung im Brennraum ist hier strichpunktiert angedeutet. Vergleicht man nun die Richtung des dem Zündstrahl 3 (im Sinne der Luft strömung) vorangehenden, längeren Kraftstoffstrahles 10' mit derjenigen des nachfolgenden (gegenüberlie genden) Strahles 10" in bezug auf die Luftströmung im Brennraum, so erkennt man, dass der erstere Strahl 10' gegenüber dieser Luftströmung einen stumpferen Winkel einschliesst als der zweite Strahl 10".
Die gleiche Erscheinung zeigt sich natürlich auch beim Beispiel nach Fig. 1 und 2, wo der Brenn- raum im Kolben angeordnet ist.
Wenn nur ein schwaches Kreisen der Luft um die Brennraumachse zustande kommt und diese nicht mit der Zylinderachse zusammenfällt, empfiehlt es sich, dem Düsenhalter eine solche Neigung zu ge ben, dass auch die übrigen Kraftstoffstrahlen 10 nur unmerklich, das heisst beträchtlich weniger als der Zündstrahl 3, den Brennraumrand 4 überspritzen. Der Winkel a der Neigung der Düsenachse 11 und die aussermittige Versetzung e' der Düse gegenüber der Brennraumachse werden auch hier nach den gleichen, oben angeführten Richtlinien festgelegt, wo bei es ratsam erscheint,
bei nur schwacher Luft bewegung eine grössere Anzahl von Kraftstoffstrahlen vorzusehen, von denen wiederum derjenige mit der kürzesten freien Strahllänge 3 zuerst und der mit der längsten 10 zuletzt zur Zündung kommen soll.
Durch eine derartige Steuerung des Zündvorganges der einzelnen Kraftstoffstrahlen lässt sich allerdings nicht der gleiche Grad von Klopffreiheit des Ver brennungsvorganges und die gleiche Verbrennungs güte (Mitteldruck an der Rauchgrenze) erreichen, wie etwa bei intensivem Kreisen der Luftfüllung um die Brennraumachse und gleichzeitigem Überspritzen des Brennraumrandes 4 durch nur einen von meh reren Kraftstoffstrahlen wie in einem 4-Takt-Motor mit Brennraum im Kolben.
Aber auch diese Lösung mit dem Brennraum im Zylinderkopf bietet eine merkliche Absenkung des Verbrennungsgeräusches bei noch sehr hohen Mitteldrücken auf den Kolben an der Rauchgrenze bzw. bei noch sehr vorteilhaftem Kraftstoffverbrauch.