AT396508B - Luftverdichtende, direkteinspritzende brennkraftmaschine - Google Patents
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Description
AT 396 508 B
Die Erfindung bezieht sich auf eine luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine, welche im Kolben einen rotationskörperförmigen Brennraum mit eingeschnürter Überströmöffnung, welche in Umfangsrichtung eine unterschiedliche Wandhöhe besitzt, aufweist und bei der der einströmenden Verbrennungsluft durch bekannte Mittel eine Drehbewegung um die Brennraumlängsachse erteilt wird, bei der der Kraftstrom über eine außermittig in der Nähe des Brennraumöffnungsrandes im Zylinderkopf angeordnete Einspritzdüse mit nur einem Strahl derart in Richtung der rotierenden Verbrennungsluft in den Brennraum eingespritzt wird, daß an der Brennraumwand die Bildung eines Kraftstoffilms möglich ist, wobei der Auftreffpunkt des Kraftstoffstrahles auf die Brennraumwand durch entsprechende Wahl des Düsenwinkels und der Düsenlage im unteren Viertel des Brennraumes liegt, wobei - in Draufsicht auf den Brennraum gesehen - der Abstand des Strahlabspritzpunktes zur Brennraummitte das 0,35- bis 0,70-fache des Brennraumdurchmessers beträgt und die geometrische Kraftstoffstrahlrichtung einerseits in eine zur Brennraumlängsachse senkrechte Ebene projiziert, mit einer Geraden, die durch die Brennraumlängsachse (Brennraummitte) verläuft, im Strahlabspritzpunkt einen ersten Winkel (γ) von 10 bis 50° einschließt und anderseits mit einer zur Brennraumlängsachse senkrechten Ebene einen zweiten Winkel (δ) von 30 bis 60° bildet.
Eine derartige Brennkraftmaschine ist aus der Literaturstelle "Kraftfahrzeugtechnik 5/76, Seiten 142 bis 145" bekannt. Die Überströmöffnung des Brennraumes weist dort durch die vorhandene Schnaupe in Umfangsrichtung eine unterschiedliche Wandhöhe auf und die Kraftstoffeinspritzung erfolgt in der Weise, daß sie innerhalb der obig angegebenen Bereiche liegt
Bei Brennkraftmaschinen, bei denen die Gemischbildung überwiegend durch Kraftstoffwandauftragung erfolgt, kommt der Luftbewegung im Brennraum eine doppelte Bedeutung zu; sie muß erstens eine genügend schnelle und wirksame Ablösung des durch die warme Brennraumwand aufbereiteten Kraftstoffes bewirken und zweitens eine nachfolgende Vermischung des Kraftstoffes mit der Luft ergeben.
Die Luftbewegung wird dabei durch zwei Maßnahmen hervorgerufen: durch die genannte Drehung der Verbrennungsluft (initiale Luftdrehung) um die Brennraumlängsachse entstehend während des Ansaughubes und dadurch, daß der Brennraum nach oben hin eingezogen ist, so daß beim Einströmen der Luft in den Brennraum (beim Verdichtungshub) eine turbulente Quetschströmung entsteht. Dabei ist natürlich die achsensymmetrische Drehbewegung, die im oberen Totpunkt des Kolbens ihre höchste Geschwindigkeit erreicht, für die Ablösung des aufgespritzten Kraftstoffes besonders geeignet; da aber die Luftbewegung genügend heftig sein muß, um den Kraftstoff schnell und sicher ablösen zu können, wird man bemüht sein, zu der Drehbewegung noch die Quetschströmung heranzuziehen, denn durch die Überlagerung der rotierenden horizontalen Strömung der angesaugten Luft mit der annähernd rechtwinkelig dazu auftretenden Strömung durch das Überschieben der Luft in den Brennraum wird eine intensive Turbulenz erzeugt, wobei durch die Einschnürung eine turbulenzfördemde Geschwindigkeitserhöhung der Überschiebeströmung erreicht wird. Daraus resultiert eine rasch ablaufende, ausgezeichnete Gemischaufbereitung und in weiterer Folge ein wesentlich günstigerer Verbrennungsablauf. Dies gilt aber überwiegend nur für den oberen Drehzahlbereich. Im niedrigen Drehzahlbereich können zu starke Quetschwirbel sich aber wieder negativ auf die Verbrennung auswirken, da sie den in den Biennraum eintretenden Kraftstoffstrahl, der im niedrigen Drehzahlbereich nur eine geringe kinetische Energie besitzt, beim Eintauchen in den Brennraum zur Brennraumwand ablenken können. Gerade im niedrigen Drehzahlbereich soll aber wegen der noch relativ kühlen Brennraumwand eine geringe Wandauftragung erfolgen und mehr eine unmittelbare Vermischung des Kraftstoffes mit der Luft stattfinden.
Bei der bekannten Brennkraftmaschine wird dies zuerst einmal durch die größere freie Länge des Kraftstoffstrahles erreicht, wobei noch zusätzlich die im Durchmesser etwas größer gewählte Überströmöffnung und auch die Senkung der Drehfrequenz der Luft im Brennraum dazu beitragen.
Es hat sich nun herausgestellt, daß auch bei dieser Brennkraftmaschine die Quetschwirbel bzw. Sekundärwirbel oftmals die Ursache für eine nicht ganz optimale Verbrennung im niedrigen Drehzahlbereich waren, da, so muß es wenigstens angenommen werden, anscheinend immer noch eine zu intensive Ablenkung an die noch zu kühle Brennraumwand erfolgte. Eine noch stärkere Vergrößerung des Überströmöffnungsdurchmessers würde zwar für den niedrigen Drehzahlbereich eine weitere Verbesserung bringen, würde aber die Werte im oberen Drehzahlbereich stark verschlechtern.
Hier setzt nun die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, bei einer Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Art die entstehenden Quetschwirbel in einfacher, unkomplizierter Weise im Bereich des Kraftstoffeintrittes in den Brennraum so zu beeinflussen, daß bei einem möglichst breit gewählten Kraftstoffauftieffbereich im unteren Viertel des Brennraumes und bei weitgehend freier Wahl der Brennraumform im Leerlauf und im unteren und mittleren Teillastgebiet des Motors eine bestmögliche Verminderung der Blau-und Weißrauchbildung erreicht wird, ohne daß eine Verschlechterung der Betriebsdaten im oberen Last- bzw. Drehzahlbereich eintritL
Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Überströmöffnung, in Draufsicht auf den Brennraum gesehen, einen ovalen Querschnitt aufweist, wobei der größere Durchmesser der Überströmöffnung durch die Brennraummitte in Richtung zum Strahlabspritzpunkt der Einspritzdüse verläuft, der Strahlabspritzpunkt von der Richtung des größeren Durchmessers der Überströmöffnung um maximal ± 20° abweicht und das Durchmesserverhältnis zwischen dem größten und kleinsten Durchmesser der ovalen Überströmöffhung zwischen 1,05 und 1,25 liegt -2-
AT396 508 B
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung und Lage der Überströmöffnung werden die Quetschwirbel im Bereich des Kraftstoffeintritts in den Brennraum derart abgeschwächt, daß der Kraftstoffstrahl innerhalb des angegebenen Lagebereichs des Strahlabspritzpunktes bzw. der Winkelbereiche der geometrischen Kraftstoffstrahlrichtungen weniger stark an die Brennraumwand abgelenkt wird. Dies wird folgendermaßen erklärt: erstens verringert sich in den Endbereichen des größeren Durchmessers der ovalen Überströmöffnung durch die geringere Entfernung der Brennraumöffnung zur Zylinderwandung die Intensität der Quetschströmung und zweitens liegt in diesen Bereichen auch eine geringere Hinterschneidung von der Überströmöffnung zur Brennraumseitenwand vor. Dadurch werden die Quetschwirbel weniger stark zur Brennraumseitenwand umgelenkt bzw. die Umlenkung wird durch die größere Wandhöhe in diesen Bereichen tiefer in den Brennraum verlegt, wodurch die Intensität der Kraftstoff-Wandanlagerung nachläßt. Der weniger starke Quetschwirbel wirkt sich somit nur positiv hinsichtlich Ablenkung des Kraftstoffstrahles in Richtung Wand aus, d. h. er fördert im unteren Drehzahlbereich die unmittelbare Vermischung mit der Luft. Dabei ergeben sich auch in den oberen Drehzahl- bzw. Lastbereichen keine Verschlechterungen, u. zw. schon deshalb, weil in den Bereichen des kleineren Durchmessers der Überströmöffnung eine stärkere Quetschwirbelbildung stets beibehalten wird bzw. die im oberen Drehzahlbereich energiestärkeren Kraftstoffstrahlen stets die Brennraumwand erreichen, nicht zuletzt auch wegen der höheren Drehfrequenz der Luft Somit wird in allen Drehzahlbereichen eine bessere Aufbereitung des Kraftstoffes erzielt, was zu einer deutlichen Verbesserung der Abgaswerte führt Überströmöffnungen ovalen Querschnitts sind an sich bekannt. So zeigt beispielsweise die US-PS 28 42106 eine eiförmige und die US-PS 29 75 773 neben anderen auch eine ellipsenförmige Überströmöffnung.
Der US-PS 28 42 106 liegt die Aufgabe zugrunde, die Ablenkung des eingespritzten Kraftstoffes in Anpassung an die jeweiligen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine mit einfachen Mitteln (Bimetallstreifen im Bereich der Kraftstoffeinspritzung) selbsttätig zu erreichen und dadurch insbesondere für den Kaltstart günstige Bedingungen zu schaffen. Der Zweck der eiförmigen Überströmöffnung, mit einem aus einer Figur zu entnehmenden Durchmesserverhältnis von (dj), (d2) von 1,25, ist der Druckschrift nicht zu entnehmen. Zudem liegt eine andere Kraftstoffeinspritzung vor (Einspritzung mit mehreren Kraftstoffstrahlen und kurzer freier Strahllänge).
Eine derartige Kraftstoffeinspritzung ist auch Gegenstand der US-PS 29 75 773. Hier soll durch eine besondere Ausgestaltung des Brennraumes die filmartige Ausbreitung des Kraftstoffes auf der Brennraumwand nach jeder Richtung hin begünstigt werden. Wie bereits erwähnt, werden in dieser Druckschrift mehrere Arten von Überströmöffnungen vorgestellt. Ein Hinweis, daß durch die ellipsenförmige Überströmöffnung Quetschwirbel im Bereich des Kraftstoffeintritts in den Brennraum beeinflußt werden sollen, ist in dieser Vorveröffentlichung nicht enthalten.
Bei beiden Vorhalten liegen aber die Strahlabspritzpunkte ziemlich genau bei den längeren Achsen der ovalförmigen Überströmöffnungen.
Die ovale Überströmöffnung kann die Form einer Ellipse haben oder die Form eines Langloches aufweisen, welches aus zwei Halbkreisen und einem mittleren ebenen Zwischenstück gebildet ist
Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann die Wandung der Überströmöffnung vertikal, d. h. parallel zur Brennraumlängsachse ausgebildet sein. Dabei ist die Wandhöhe in den Wandungsbereichen des größeren Durchmessers (dj) am größten und in den Wandungsbereichen des kleineren Durchmessers (d2) am kleinsten. In vorteilhafter Weise kann die größte Wandhöhe zwischen 15 und 20 % und die kleinste Wandhöhe zwischen 5 und 10 % des Brennraumdurchmessers (D) betragen.
In bekannter Weise beträgt die Drehfrequenz der rotierenden Verbrennungsluft - bezogen auf den Meßdurchmesser (0,7 Zylinder- bzw. Kolbendurchmesser) und maximalen Ventilhub sowie 10 m/s mittlerer Kolbengeschwindigkeit - zwischen 130 und 180 Hz.
Sofern ein kugelförmiger Brennraum Verwendung findet, wird ein besonders günstiger Verbrennungsablauf dann erreicht, wenn die Entfernung des Strahlabspritzpunktes zur Brennraummitte das 0,50- bis 0,55-fache des Brennraumdurchmessers beträgt, der Winkel (γ) zwischen 15 und 40° und der zweite Winkel (δ) zwischen 40 und 50° liegt und das Durchmesserverhältnis (dj), (d2) der ovalen Überströmöffnung 1,10 bis 1,15 beträgt.
Weitere Einzelheiten der Erfindung können den Zeichnungen entnommen werden und werden im folgenden näher erläutert
Es zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt durch den oberen Teil eines Kolbens im oberen Totpunkt mit zwei eingezeichneten geometrischen Kraftstoffstrahlen nach der Erfindung, Fig. 2 eine Draufsicht auf den Kolben nach einem Schnitt gemäß der Linie (Π-Π) in Fig. 1, Fig. 3 einen Schnitt in der Ebene des einen Kraftstoffstrahles gemäß der Linie (III-III) in Fig. 2 (Hilfskonstruktion) und Fig. 4 eine Abwicklung der Wandhöhe der Überströmöffnung über einen Winkelbereich von 0 bis 180°.
In den Fig. 1 und 2 weist ein nur zum Teil dargestellter Kolben (1) in seinem Kolbenboden (2) einen kugelförmigen Brennraum (3) mit einem Durchmesser (D) auf. Der Brennraum (3), der auch andere rotationssymmetrische Formen aufweisen kann, ist durch eine eingeschnürte Überströmöffnung (4) mit dem Zylinderraum (12) verbunden. In der halsförmigen Überströmöffnung (4), die einen ovalförmigen Querschnitt in Form einer Ellipse oder eines Langloches aufweist, ist eine Schnaupe (5) zur Einspritzung des Kraftstoffes durch eine Einspritzdüse (7), welche außermittig der Brennraumlängsachse (13) im Zylinderkopf (6) angeordnet ist, -3-
Claims (8)
- AT 396 508 B vorgesehen. Durch die ovale Formgebung der Überströmöffnung (4) ist aber die Notwendigkeit einer Schnaupe nicht Bedingung. Die Äquatorebene des Biennraumes (3) ist durch eine strichpunktierte Linie (8) gekennzeichnet. Die Einspritzung des Kraftstoffes erfolgt in das untere Viertel des Brennraumes (3). Dies erreicht man durch entsprechende Wahl des Düsenwinkels (Abweichung der Strahlrichtung von der Düsenachse) bzw. entsprechender Wahl der Düsenlage und/oder durch entsprechende Drehung der Einspritzdüse. Durch die Einspritzung des Kraftstoffes in den unteren Bereich des Brennraumes ergibt rieh eine größere freie Länge des Kraftstoffstrahles. Die Linien (9) und (9a) zeigen die Richtung von zwei geometrischen Kraftstoffstrahlen an, die bei den Punkten (10) und (10a) auf die Brennraumwand (11) auftreffen. Erfindungsgemäß wird die Kraftstoffstrahlrichtung so gewählt, daß der geometrische Kraftstoffstrahl, in ein» zur Brennraumachse (13) senkrechten Ebene projiziert, mit einer Geraden (17) die vom Strahlabspritzpunkt (15) durch die Brennraumlängsachse (13) (Brennraummitte) verläuft, einen Winkel (γ) zwischen 10 und 50° einschließt und zum weiteren, mit einer zur Brennraumlängsachse (13) senkrechten Ebene, beispielsweise Zylinderkopfebene, einen Winkel (ö) von 20 bis 60° bildet. Im Ausführungsbeispiel ergibt sich für den Kraftstoffstrahl (9) ein γ-Wert von etwa 17° und für den Kraftstoffstrahl (9a) ein Ya-Wert von etwa 38°. In Fig. 2 ist eine ellipsenförmige Überströmöffnung (4) dargestellt. Der größere Durchmesser der Ellipse wird mit (dj) und der kleinere Durchmesser mit (dj) bezeichnet. Das Durchmesserverhältnis (dj/dj) liegt zwischen 1,05 und 1,25. Der Strahlabspritzpunkt (15) ist im Endbereich des größeren Durchmessers (dj) angeordnet und kann innerhalb des Bereiches (19) liegen. Er kann ± 20° von der Richtung des größeren Durchmessers (dj) abweichen; im Ausführungsbeispiel beträgt die Abweichung ca. 10°. Der Abstand des Strahlabspritzpunktes zur Brennraummitte ist mit (1) bezeichnet. Er kann das 0,35- bis 0,70-fache des Brennraumdurchmessers (D) betragen. Im Ausführungsbeispiel ergibt sich für (1) etwa 0,55 D. Der Pfeil (14) gibt die Drehrichtung der Luft an. Bei einer Lageänderung des Strahlabspritzpunktes (15) innerhalb des in Fig. 2 strichlierten Bereiches (19) ergibt sich zwar auch jeweils eine andere Auftreffpunktlage des Kraftstoffstrahles auf der Brennraumwand (11), der Winkelwert für (γ) und (&) bleibt aber dabei in etwa erhalten, vorausgesetzt, die anderen Bedingungen, wie z. B. der Düsenwinkel, werden beibehalten. Ganz exakt gilt dies nur für einen kugelförmigen Brennraum, mit dem man die besten Ergebnisse dann erzielt, wenn die Entfernung (1) des Strahlabspritzpunktes (15) zur Brennraummitte das 0,50- bis 0,55-fache des Brennraumdurchmessers (D) beträgt, der Winkel (γ) zwischen 15 und 40° und der Winkel (Φ) zwischen 40 und 50° liegt und bei dem das Durchmesserverhältnis (djA^) des ovalen Brennraumhalses 1,10 bis 1,15 beträgt. In Fig. 3 ist der ϋ-Wert für den Kraftstoffstrahl (9) dargestellt. Dieser hat in der Figur etwa 45°. Aus dieser Figur ist auch die tatsächliche Strahllänge des geometrischen Kraftstoffstrahles (9) entnehmbar. Dieser trifft in Punkt (10) auf die Brennraumwand auf. Der Punkt (10) liegt dabei auf einem Kreis, welcher als Schnitt der Ebene (ΙΙΙΊΙΙ) gemäß Fig. 2 mit dem kugelförmigen Brennraum entsteht. Die Fig. 3 dient lediglich als Hilfskonstruktion für die Darstellung des Winkels (fl), wobei die zur Zylinderachse senkrechte Ebene, z. B. Zylinderkopfebene, mit (16) bezeichnet ist Die Fig. 4 zeigt die Abwicklung der Wandhöhe der Überströmöffnung (4) über einen Winkelbereich von Obis 180°. Durch die Erfindung wird bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art mit einfachen Mitteln, nämlich durch besondere Ausgestaltung des Brennraumhalses bei Einhaltung bestimmter Voraussetzungen für die Einspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum, eine jeweils erwünschte Gemischbildung selbsttätig herbeigeführt, wobei der Übergang von Teillast- auf Vollastbetrieb ebenfalls in selbsttätiger Anpassung an die jeweils erforderliche Luft- bzw. Wandverteilung des Kraftstoffes erfolgt. Es sind dazu keine besonderen mechanischen Hilfsmittel und/oder von außen her vorzunehmende Regelmaßnahmen zur Erreichung dieses Effektes notwendig. Außerdem ist es nicht erforderlich, daß so enge Bereiche für die Drehfrequenz der Luft wie beim Stand der Technik (DE-PS 20 38 048) eingehalten werden müssen. PATENTANSPRÜCHE 1. Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine, welche im Kolben einen rotationskörperförmigen Brennraum mit eingeschnürter Überströmöffnung, welche in Umfangsrichtung eine unterschiedliche Wandhöhe besitzt, aufweist und bei der der einströmenden Verbrennungsluft durch bekannte Mittel eine Drehbewegung um -4- AT 396 508 B die Brennraumlängsachse erteilt wird, bei der der Kraftstoff über eine außermittig in der Nähe des Brennraumöffnungsrandes im Zylinderkopf angeordnete Einspritzdüse mit nur einem Strahl derart in Richtung der rotierenden Verbrennungsluft in den Brennraum eingespritzt wird, daß an der Brennraumwand die Bildung eines Kraftstoffilms möglich ist, wobei der Auftreffpunkt des Kraftstoffstrahles auf die Brennraumwand durch entsprechende Wahl des Düsenwinkels und der Düsenlage im unteren Viertel des Brennraumes liegt, wobei · in Draufsicht auf den Brennraum gesehen - der Abstand des Strahlabspritzpunktes zur Brennraummitte das 035- bis 0,70-fache des Brennraumdurchmessers beträgt und die geometrische Kraftstoffstrahlrichtung einerseits, in eine zur Brennraumlängsachse senkrechte Ebene projiziert, mit einer Geraden, die durch die Brennraumlängsachse (Brennraummitte) verläuft, im Strahlabspritzpunkt einen ersten Winkel von 10 bis 50° einschließt und anderseits, mit einer zur Brennraumlängsachse senkrecht«! Ebene einen zweiten Winkel von 20 bis 60° bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Überströmöffnung (4), in Draufsicht auf den Brennraum gesehen, einen ovalen Querschnitt aufweist, wobei der größere Durchmesser (dj) der Überströmöffnung (4) durch die Brennraummitte in Richtung zum Strahlabspritzpunkt (15) der Einspritzdüse (7) verläuft, der Strahlabspritzpunkt (15) von der Richtung des größeren Durchmessers (dj) der Überströmöffnung (4) um maximal ± 20° abweicht und das Durchmesserverhältnis zwischen dem größten und kleinsten Durchmesser (dj), (d2) der ovalen Überströmöffnung (4) zwischen 1,05 und 1,25 liegt.
- 2. Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ovale Überströmöffnung (4) die Form einer Ellipse hat
- 3. Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ovale Überströmöffnung (4) die Form eines Langloches hat, welches aus zwei Halbkreisen und einem mittleren ebenen Zwischenstück gebildet ist.
- 4. Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung der Überströmöffnung (4) vertikal, d. h. parallel zur Brennraumlängsachse (13) verläuft.
- 5. Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandhöhe der Überströmöffnung (4) in den Wandungsbereichen des größeren Durchmessers (dj) am größten und in den Wandungsbereichen des kleineren Durchmessers (d2) am kleinsten ist.
- 6. Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die kleinste Wandhöhe der Überströmöffnung (4) 5 bis 10 % und die größte Wandhöhe 15 bis 20 % des Brennraumdurchmessers (D) beträgt.
- 7. Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wie an sich bekannt, die Drehfrequenz der rotierenden Verbrennungsluft - bezogen auf den Meßdurchmesser (0,7 Zylinder- bzw. Kolbendurchmesser) und maximalen Ventilhub sowie 10 m/s mittlere Kolbengeschwindigkeit - zwischen 130 und 180 Hz beträgt.
- 8. Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines kugelförmigen Brennraumes die Entfernung (1) des Strahlabspritzpunktes (15) zur Brennraummitte das 0,50 bis 0,55-fache des Brennraumdurchmessers (D) beträgt, der erste Winkel (γ) zwischen 15 und 40° und der zweite Winkel (δ) zwischen 40 und 50° liegt, und daß das Durchmesserverhältnis (d j), (d2) der ovalen Überströmöffnung (4) 1,10 bis 1,15 beträgt. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen -5-
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