<Desc/Clms Page number 1>
Die Erfindung bezieht sich auf einen Dieselmotor kleinerer Leistung mit je einem Einlass- und einem Auslassventil, mit direkter Kraftstoffeinspritzung mittels einer gegenüber der Zylinderachse exzentrisch angeordneten Einspritzdüse, deren Achse zur Zylinderachse parallel ist oder einen spitzen Winkel einschliesst und mit Einspritzbohrungen, deren Achsen auf einem Kegelmantel liegen, sowie einer im Kolben angeordneten rotationskörperförmigen Brennraummulde, die flach und zur Gänze zum ebenen Boden des Zylinderkopfes hin offen ausgebildet ist und in der die Verbrennungsluft keinen wesentlichen Drall aufweist.
Ein bekannter Dieselmotor dieser Art ist in der DE-OS 29 49 586 beschrieben, wobei die rotationskörperförmige Brennraummulde vom Kolbenkörper seitlich zur Gänze umschlossen ist, d. h., die Brennraummulde bildet an der Oberseite des Kolbens eine ungefähr wannenartige Ausnehmung, in die der Kraftstoff eingespritzt wird. Bei dieser bekannten Ausführungsform wird der Kraftstoff durch eine konische Düsennadel in Form eines Kegelmantels im Brennraum verteilt, was bedeutet, dass bestenfalls nur ein radialsymmetrischer Brennraum gleichmässig beschickt werden kann. Selbst dies ist problematisch, weil schon relativ kleine Unregelmässigkeiten in der Anströmung der Düse eine gleichmässige Ausbildung des Kegelmantels in Frage stellen.
Bei anderen bekannten Dieselmotoren weist die Brennraummulde, welche am Ende des Verdichtungshubes nahezu die gesamte Verbrennungsluft aufnimmt und einen grössten Durchmesser hat, der etwa gleich oder kleiner als der halbe Kolbendurchmesser ist, an ihrem Übergang zum Zylinderraum eine erhebliche Einschnürung auf. Es ist ferner ein Einlasskanal zur Erzeugung einer Rotation der einströmenden Luft um die Zylinderachse vorgesehen.
Bei diesen bekannten Dieselmotoren erfolgt die Gemischbildung also nach dem sogenannten Drallverfahren, bei welchem die Mischung von Luft und Kraftstoff durch die Zerstäubung des Kraftstoffes beim Einspritzen durch kleine Düsenbohrungen, ferner durch die Erfassung des beim Einspritzen nicht unmittelbar getroffenen Kraftstoffes durch Drehung der Luft um die Zylinderachse und durch den"Squish"bewirkt wird, das ist eine Verdrängung des grössten Teiles der oberhalb des Kolbens befindlichen Luft während der Verdichtung in die Kolbenmulde, in der die Verbrennung im wesentlichen stattfindet.
Man erreicht beim Drallverfahren bei den üblichen drei bis fünf Düsenbohrungen bei raucharme Verbrennung eine Luftüberschusszahl von 1, 5 bis 1, 6. Die Luft wird also bei diesem Verfahren nicht sehr gut ausgenützt
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass die Ursache dieser verhältnismässig schlechten Luftausnützung im wesentlichen in der Luftbewegung aus mehreren verschiedenen Ursachen, nämlich der Bewegung der Luft durch Drall, durch den Squish und durch Mitreissen von Luft durch die Kraftstoffstrahlen, liegt. Es scheint nicht möglich, durch die aus verschiedenen Ursachen herrührenden Luftbewegungen eine auch nur annähernd homogene Gemischbildung zu erreichen. Es entsteht eine stark inhomogene Mischung, die Gemischteile mit kleinerem und grösserem Luftüberschuss enthält.
Die Gemischteile mit kleinem Luftüberschuss werden Ursache für den Russ sein, und die insgesamt zulässige Kraftstoffzufuhr daher begrenzen. Da diese Gemischteile am heissesten verbrennen,
EMI1.1
Luftüberschusses LambdaL ist Je kleiner LambdaL bei qualitativ zulässiger Verbrennung werden kann, desto besser wird die Luft ausgenützt, desto grösser wird das im Zylinder erzielte pi bei sonst gleichen Verhältnissen.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass bei kleineren Dieselmotoren innerhalb des Kraftstoffstrahles nur dann eine gute Gemischbildung erreicht werden kann, wenn man den Durchmesser der Brennraummulde so gross wie möglich macht.
Die Erfindung besteht darin, dass die Einspritzdüse in an sich bekannter Weise sechs bis vierzehn Einspritzbohrungen, vorzugsweise acht Einspritzbohrungen zur möglichst gleichmässigen Verteilung des Kraftstoffes im Brennraum aufweist, deren Achsen auf einem Kegelmantel mit einem Öffnungswinkel von 1600 bis 180 liegen, und dass der Durchmesser der aussermittig angeordneten und zur Düse konzentrischen flachen Brennraummulde einseitig über den Kolbenrand hinausreicht, so dass die seitliche Brennraumwand am Kolben in diesem Bereich wegfällt
Die Kraftstoffstrahlen haben wegen der erhöhten Anzahl von Einspritzbohrungen einen verhältnismässig kleinen Abstand, sodass eine genügende Aufteilung des Kraftstoffes auf die Verbrennungsluft dadurch erfolgen kann,
dass der Kraftstoff Verbrennungsluft mitreisst und die mitgerissene Luft eine Verbrennung des Kraftstoffes mit dem für vollkommene Verbrennung notwendigen Luftüberschuss bewirkt Die Strahlen werden beim Austritt aus der Düse durch die starke Reibung zwischen Kraftstoffstrahl und Luft infolge der hohen Geschwindigkeitsdifferenz in feine Tröpfchen zerrissen. Durch die Reibung zwischen den Kraftstofftröpfchen und der Luft wird die Luft beschleunigt, der Kraftstoff verzögert. Die Luft ist durch die Kompression hoch erhitzt und überträgt Wärme an die Kraftstofftröpfchen. Diese werden dadurch bis zur Verdampfung erhitzt, sodass nach einer bestimmten Länge der Kraftstoffstrahlen die Verdampfung beginnt Durch die Verdampfung wird das Volumen des Kraftstoffes wesentlich vergrössert und damit die Reibungsflächen zwischen Kraftstoff und Luft vergrössert.
Dadurch erfolgt ein wesentlich erhöhter Geschwindigkeitsaustausch zwischen Kraftstoff und Luft, gleichzeitig auch ein erhöhter Austausch von Wärme zwischen beiden. Wenn die Entzündungstemperatur des Kraftstoffes erreicht wird, beginnt dieser zu brennen. Dabei wird das Volumen des Kraftstoff-Luftgemisches weiter vergrössert und der Geschwindigkeitsaustausch zwischen Kraftstoff und Luft weiter erhöht, bis sich das brennende Kraftstoffdampf-Luftgemisch annähernd mit gleicher Geschwindigkeit bewegt. Durch die Turbulenz der Strömung
<Desc/Clms Page number 2>
wird die Verbrennung beschleunigt.
Dadurch, dass der Durchmesser der zur Düse konzentrischen flachen Brennraummulde so gross ist, dass die seitliche Brennraumwand am Kolben überschnitten wird und dadurch zum Teil wegfällt, werden eine möglichst flache Brennraummulde und eine unerhebliche Quetschströmung erhalten.
Bei entsprechender Ausführung der Einspritzdüsen (exakte Bohrungen hinsichtlich Länge und Durchmesser) vor allem hinsichtlich der Zerstäubung des Kraftstoffes und der Strahlweite mit sonstiger exakter Ausführung der Düsenbohrungen, z. B. gleicher Zufluss zu den Düsenbohrungen, erhält man eine vorbestimmte gesetzmässige Aufteilung des Kraftstoffes auf die einzelnen Düsenbohrungen.
Die gleichmässige Verteilung des Kraftstoffes auf die Luft längs eines Kraftstoffstrahles muss durch entsprechende Abstimmung des die Bohrungsachse des Düsenloches umgebenden Freiraumes, ferner durch die Ausbildung des Kraftstoffstrahles bewirkt werden.
Keinen wesentlichen Squish im Sinne der Erfindung erhält man in einfacher Weise in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch, dass die im Kolben angeordnete flache Brennraummulde einen Durchmesser aufweist, der über 70 % des Kolbendurchmessers beträgt.
Die erfindungsgemäss geforderte Drallfreiheit der Verbrennungsluft kann z. B. in an sich bekannter Weise dadurch erreicht werden, dass die Einströmung der Luft in den Zylinder durch einen Kanal erfolgt, der auf der Einlassventilseite den Luftstrom radial zur Zylinderachse in den Zylinder leitet und eventuell mit im Kanal liegenden Leitblechen ausgestattet ist.
Vorteilhaft ist es, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Zylinderlaufbüchse vom Zylinderkopfboden bis unter den Bereich der durch den teilweisen Wegfall der seitlichen Brennraumwand im oberen Totpunkt des Kolbens zur Zylinderlaufbüchse hin offenen Brennraummulde durch eine ringförmige thermische Isolierschicht hoher Wärmefestigkeit ausgebüchst ist
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können die Einspritzbohrungen in zwei Reihen mit kleinem axialen Abstand voneinander an der Einspritzdüse angeordnet sein, wobei die Einspritzbohrungen der beiden Reihen, die gleiche oder verschiedene Durchmesser haben können, in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt sind.
Auf diese Weise gelingt es, eine grössere Anzahl Düsenbohrungen unterzubringen, wobei gleichzeitig auf eine gleichmässige Verteilung des Kraftstoffes im Brennraum eingewirkt werden kann.
In gewissen Anwendungsfällen wird es von Vorteil sein, dass der Brennraum zentrisch zur Zylinderachse liegt und die Einspritzbohrungen so ausgebildet sind, dass sie im allgemeinen umso grössere Durchmesser haben, je länger die freie Strahllänge bis zum Rand des Brennraumes ist. In diesem Falle werden also ungleiche Strahllängen in Kauf genommen, jedoch die angestrebte gleichmässige Brennstoffverteilung im Brennraum durch entsprechend ungleiche Ausführung der Einspritzbohrungen (Länge und Durchmesser) wieder erreicht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 und 2 die erfindungswesentlichen Teile eines Dieselmotors gemäss der Erfindung, und zwar Fig. 1 eine Draufsicht auf den Kolben und Fig. 2 einen Längsschnitt desselben.
Bei dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Zylinderkopf mit (1), der Kolben mit (2) und der Zylinder mit (3) bezeichnet. Im Kolben (2) ist eine flache Brennraummulde (4) angeordnet, welche ebenso wie die Einspritzdüse (5) gegenüber der Kolben- bzw. Zylinderachse (6) um das Mass (7), das etwa 10 % des Kolbendurchmessers betragen kann, exzentrisch angeordnet ist
Der erfindungsgemässe Dieselmotor weist je ein in Fig. 1 angedeutetes Einlassventil (8) und ein Auslassventil (9) auf. Der Einlasskanal (10) ist so ausgebildet, dass die Einströmung der Luft in den Zylinder (3) radial zur Zylinderachse (6) erfolgt und daher im Zylinder kein Drall entsteht. Die Leitwirkung des Einlasskanals (10) kann noch durch ein in diesem angeordnetes radiales Leitblech (11) verstärkt werden.
Durch die Anordnung der beiden Ventile (8,9) ergibt sich die exzentrische Lage der Einspritzdüse (5), deren Spitze (5') ebenfalls den Abstand (7) von der Kolbenachse (6) aufweist. Die Brennraummulde (4) ist somit konzentrisch zur Einspritzdüse (5) angeordnet. Die Achse (12) der Düse (5) schliesst einen spitzen Winkel mit der Kolbenachse (6) ein. Der Auslasskanal ist in Fig. 1 angedeutet und mit (13) bezeichnet.
Der flache Brennraum ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel in acht gleiche Teile geteilt zu denken, in deren Mitte je ein Kraftstoffstrahl (14) aus einer Düsenbohrung austritt. Alle Düsenbohrungen haben den gleichen Bohrungsdurchmesser und spritzen mit Kraftstoffstrahlen in die exzentrisch liegende Brennraummulde (4).
Die Brennraummulde (4) ist nach oben offen, also ohne Einschnürung ausgebildet. Der Boden (15) der Brennraummulde (4) weist die Form eines Kegels auf, dessen Spitze (16) unterhalb der Spitze (5') der Einspritzdüse (5) liegt.
EMI2.1
das vorzeitige Auftreffen der Kraftstoffstrahlen auf diesem zu verhindern.
Bei der Ausführung nach Fig. 1 und 2 ist die sehr flache Brennraummulde (4) im Kolben (2) konzentrisch zu dessen Achse (6) angeordnet. Die Einspritzdüse (5) liegt also in dieser Brennraummulde (4) exzentrisch, sodass sich verschieden lange Kraftstoffstrahlen ergeben, von denen der längste mit (18) und der kürzeste mit (19) bezeichnet ist. Der Boden (15) der Brennraummulde (4) besitzt auch hier Kegelform, wobei die Spitze (16) des Kegels wiederum unterhalb der Spitze (5') der Einspritzdüse (5) liegt.
<Desc/Clms Page number 3>
Um in diesem Falle eine gleichmässige Verteilung des Kraftstoffes in der Brennraummulde (4) zu erzielen, werden zweckmässig die Einspritzbohrungen verschieden auszuführen sein, u. zw. im Durchmesser umso grösser, je länger der Kraftstoffstrahl ist. Auf die Kraftstoffverteilung kann aber auch durch die Länge der Einspritzbohrungen entsprechend Einfluss genommen werden.
Bei der Ausführung nach Fig. 1 und 2 ist die Brennraummulde (4) konzentrisch zur Einspritzdüse (5), also exzentrisch zur Kolbenachse (6). Die Brennraummulde (4) ist im Verhältnis zum Durchmesser des Kolbens (2) so gross, dass die aussenliegende seitliche Brennraumwand (20) der Brennraummulde am Kolben überschnitten wird und dadurch zum Teil wegfällt und, wie Fig. 1 zeigt, eine mondsichelförmige Gestalt erhält. Der Zylinder (3) bzw. die Zylinderlaufbüchse kann beispielsweise von oben bis unter des am Kolben (2) wegfallenden Teiles der seitlichen Brennraumwand (20) in der oberen Totlage durch eine ringförmige thermische Isolierschicht (21) ausgebüchst sein.
Die Kraftstoffstrahlen sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel wieder gleich bzw. nahezu gleich, und der Boden (15) der Brennraummulde (4) weist wiederum Kegelform auf, wobei die Spitze (16) des Kegels unterhalb der Spitze (5') der Einspritzdüse (5) liegt.
PATENTANSPRÜCHE 1. Dieselmotor kleinerer Leistung mit je einem Einlass- und einem Auslassventil, mit direkter Kraftstoffeinspritzung mittels einer gegenüber der Zylinderachse exzentrisch angeordneten Einspritzdüse, deren Achse zur Zylinderachse parallel ist oder einen spitzen Winkel einschliesst und mit Einspritzbohrungen, deren Achsen auf einem Kegelmantel liegen, sowie einer im Kolben angeordneten rotationskörperförmigen Brennraummulde, die flach und zur Gänze zum ebenen Boden des Zylinderkopfes hin offen ausgebildet ist und in der die Verbrennungsluft keinen wesentlichen Drall aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdüse (5) in an sich bekannter Weise sechs bis vierzehn Einspritzbohrungen, vorzugsweise acht Einspritzbohrungen zur möglichst gleichmässigen Verteilung des Kraftstoffes im Brennraum aufweist, deren Achsen (14)
auf einem Kegelmantel mit einem Öffnungswinkel von 160 bis 180 liegen, und dass der Durchmesser der aussermittig angeordneten und zur Düse (5) konzentrischen flachen Brennraummulde (4) einseitig über den Kolbenrand hinausreicht, so dass die seitliche Brennraumwand (20) am Kolben (2) in diesem Bereich wegfällt.