DE1032597B

DE1032597B - Injection internal combustion engine with combustion chamber located in the piston

Info

Publication number: DE1032597B
Application number: DEO4275A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Gehrmann
Original assignee: O&K Orenstein and Koppel GmbH; Luebecker Maschinenbau GmbH
Current assignee: CNH Industrial Baumaschinen GmbH; Luebecker Maschinenbau GmbH
Priority date: 1955-05-13
Filing date: 1955-05-13
Publication date: 1958-06-19

Description

Einspritz-Brennkraftmaschine mit im Kolben liegendem Verbrennungsraum I?s sind bereits Brennkraftmaschinen mit Luftverdichtung und Selbstzündung entwickelt worden, bei denen der Verbrennungsraum vornehmlich im Kolben untergebracht ist. Es sind des weiteren Ausführungen bekannt, die diesem Verbrennungsraum kugelartige Gestalt gegeben haben und bei denen die Öffnung im Kolbenboden kleiner oder auch gleich dem Durchmesser des Hohlraumes ist, wie auch die Lage gegenüber der Zylinderachse konzentrisch oder exzentrisch angeordnet wurde, wobei mitunter die Achse dieser Verbrennungsräume mit der Achse des Einspritzstrahles zusarnmenfällt.Injection internal combustion engine with combustion chamber located in the piston Internal combustion engines with air compression and auto-ignition have already been developed in which the combustion chamber is mainly housed in the piston. There are also known designs that this combustion chamber spherical Have given shape and where the opening in the piston crown is smaller or smaller is equal to the diameter of the cavity, as is the position relative to the cylinder axis was arranged concentrically or eccentrically, sometimes the axis of this Combustion chambers coincide with the axis of the injection jet.

Die Anordnungen dieserArt gehen sogar so. weit, daß auch bei schräg im Zylinderkopf untergebrachter Einspritzdüse die Strahlachse durch die Verbrennungsraumachse verlängert wird. Damit ist aber ein wesentliches Merkmal dieser Ausführungen herausgestellt, das darin zu sehen ist, daß der Einspritzstrahl so in den Verbrennungsraum eingeführt wird, daß eine möglichst innige Vermischung des Kraftstoffes mit der Verbrennungsluft erreicht wird, und zwar im Innern des Verbrennungsraumes, der im Kolben untergebracht ist. Es ist aber auch vorgeschlagen worden. den Strahl so zu führen, daß er gleichsinnig mit der Strömungsrichtung der Luft an den Wandungen als dünner Film verteilt aufgebracht und beim Ablösen von der Wandung durch die einströmende Luft in Dampfforrn sich mit dieser vermischt und verbrannt wird.In fact, arrangements of this kind go like this. far that even at oblique Injection nozzle housed in the cylinder head, the jet axis through the combustion chamber axis is extended. However, this highlights an essential feature of these explanations, which can be seen in the fact that the injection jet is thus introduced into the combustion chamber that the most intimate possible mixing of the fuel with the combustion air is achieved, namely in the interior of the combustion chamber, which is housed in the piston is. But it has also been suggested. to guide the beam in such a way that it is in the same direction applied with the flow direction of the air on the walls as a thin film and when it is detached from the wall by the inflowing air in vapor form mixed with this and burned.

Auch die Ausführung von Brennräumen im Kolben, die aus einem zylindrischen Hals und einem sich anschließenden Hohlraum mit in Längsrichtung trapezförmigern Querschnitt gebildet werden, ist bekannt. Die Einspritzdüse liegt ebenfalls schräg im Zylinderkopf. und die Längsachse des Brennraumes ist gegenüber der Zylinderachse zur Einspritzdüse hin versetzt. Die Einspritzdüse ist aber so weit herangeführt, claß sie innerhalb des Halses des Hohlraumes liegt. Erfolgt dann außerdem noch die Einspritzung fächerförmig bzw. mittels einer Anzahl von Strahlen. so soll durch diese Anordnungen ebenfalls ein inniges Mischen des eingespritzten Kraftstoffes mit der Verbrennungsluft erreicht werden.Also the execution of combustion chambers in the piston, which consists of a cylindrical Neck and an adjoining cavity with trapezoidal shape in the longitudinal direction Cross-section are formed is known. The injection nozzle is also at an angle in the cylinder head. and the longitudinal axis of the combustion chamber is opposite the cylinder axis offset towards the injection nozzle. But the injection nozzle is brought so far that it lies within the neck of the cavity. Then there is also the Injection in a fan shape or by means of a number of jets. so should go through these arrangements also ensure intimate mixing of the injected fuel can be achieved with the combustion air.

Der Mehrzahl dieser Anordnungen lag die Aufgabe zugrunde. eine möglichst starke Durchwirbelung des Kraftstoffstrahles mit der verdichteten Luft im Verbrennungsraum selbst zu erreichen, um damit die Aufbereitung des Kraftstoffes und das Verbrennen wesentlich zu beschleunigen, wobei die Kraftstoffstrahlen eben so geführt werden, daß sie diesen Raum gleichmäßig mit Kraftstofftröpfchen oder -nebeln anfüllen.The majority of these arrangements were based on the task. one possible strong swirling of the fuel jet with the compressed air in the combustion chamber to reach yourself in order to process the fuel and burn it to accelerate significantly, whereby the fuel jets are guided in the same way, that they fill this space evenly with fuel droplets or mists.

Abgesehen davon. claß es nicht immer ganz einfach ist. den Kraftstoffstrahl so sicher zu führen, daß er auch den Verbrennungsraum, wenn dieser vornehmlich im Kolben untergebracht ist und die Mündung der Einspritzdüse unmittelbar über diesem Raum liegt, durchsetzt, zeigen derartige Maschinen, bei denen die Zündung des gesamten eingespritzten Kraftstoffes gleichzeitig erfolgt, einen harten Gang.Apart from this. It is not always easy. the fuel jet to guide so safely that he also the combustion chamber, if this is primarily in the Piston is housed and the mouth of the injection nozzle directly above this Space lies, interspersed, show such machines, in which the ignition of the whole injected fuel takes place at the same time, a hard gear.

Die Erfindung betrifft demgegenüber eine luftgekühlte Einspritz-Brennkraftmaschine mit Luftverdichtung, Selbstzündung und im Kolben liegendem Verbrennungsraum, der aus einem zylindrischen Hals und einem sich anschließenden Hohlraum mit in Längsrichtung des Kolbens trapezförmigem Querschnitt gebildet ist, wobei die Höhe des Hohlraumes etwa dem Durchmesser des Verbrennungskammerhalses mit annähernd ein Viertel bis ein Fünftel des Kolbendurchmessers entspricht, der Übergang von der Grundlinie zu den Seitenlinien durch starke Abrundungen erfolgt und der Brennraum mit seiner Längsachrse. gegenüber der Zylinderachse zur Einspritzdüse hin versetzt ist, während die Einspritzdüse im Zylinderkopf seitlich schräg angeordnet ist. Das Merkmal der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung wird nun darin gesehen, daß die mit großem Strahlwinkel ausgestattete Einspritzdüse unter einem Neigungswinkel im Zylinderkopf gegenüber der Zylinderachse von mehr als 65° und gegenüber dem @,'erbrennungskammerhals zurückgesetzt angeordnet ist und der in Richtung der Einspritzdüsenachse verlaufende Strahlkegel in freier Luft den den Hohlraum abschließenden Rand des der Zylinderachse zugeordneten Seitenflächenausschnittes des Hohlraumes trifft, so daß nur ein Teil des Kraftstoffstrahles in den Hohlraum gelangt.In contrast, the invention relates to an air-cooled injection internal combustion engine with air compression, auto-ignition and the combustion chamber located in the piston, the from a cylindrical neck and an adjoining cavity with in the longitudinal direction of the piston is formed with a trapezoidal cross-section, the height of the cavity about the diameter of the neck of the combustion chamber with approximately a quarter to one fifth of the piston diameter corresponds to the transition from the baseline to the side lines are made by strong roundings and the combustion chamber with its longitudinal axis. is offset with respect to the cylinder axis towards the injection nozzle, while the injection nozzle is arranged at an angle in the cylinder head. The feature of the invention proposed solution is now seen in the fact that equipped with a large beam angle Injection nozzle at an angle of inclination in the cylinder head with respect to the cylinder axis of more than 65 ° and set back from the neck of the cremation chamber and the jet cone running in the direction of the injection nozzle axis in free Air closes the cavity edge of the side surface cutout associated with the cylinder axis of the cavity hits so that only part of the fuel jet gets into the cavity.

Bewußt ist eine ungleichmäßige Einspritzung des Innenraumes angestrebt, um dadurch einen besonders weich einsetzenden Verbrennungsablauf zu erzielen. Nur ein kleiner Teil der Verbrennungskammer wird direkt von dem Kraftstoffstrahl durchdrungen. Der übrige Teil des Kraftstoffes spritzt in den eigentlichen Hubraum. Dadurch wird gleichsam eine Teilung des Kraftstoffstrahles vorgenommen. Die Zündung des gesamten eingespritzten Kraftstoffes erfolgt somit nicht gleichzeitig, so daß die Ganghärte erheblich geringer wird.An uneven injection of the interior is deliberately aimed at, in order to achieve a particularly smooth combustion process. Just a small part of the combustion chamber is penetrated directly by the fuel jet. The remaining part of the fuel injects into the actual displacement. This will made a division of the fuel jet as it were. The ignition of the whole injected fuel does not take place at the same time, so that the gear hardness becomes considerably less.

Diese Wirkung wird besonders dadurch erreicht, daß die Voreinspritzung so eingestellt ist, daß unter Berücksichtigung des Spritzverzuges der Düse etwa 10 bis 16° Kurbelwinkel vor O. T. die obere Öffnung der Verbrennungskammer erreicht wird, so daß im Augenblick der großen Strömungsgeschwindigkeiten der verdichteten Luft die gesamte Einspritzmenge eingebracht wird. Kurz danach erfolgt die erste Teilzündung. Es erfolgt dann durch die Wirbel der aus dem Hubraum in die Verbrennungskammer einströmenden Luft eine Vermischung des Kraftstoffstrahles mit dieser Luft und anschließend die Restverbrennung. , Der Kraftstoffstrahl, der in freier Luft nur einen Teil der der Zylinderachse zugeordneten Seitenflächen des Hohlraumes beaufschlagt, erreicht im Betrieb zu einem großen Teil gar nicht diese Seitenfläche, sondern wird im Augenblick der Einspritzung durch die über dem Kolben sich befindliche, verdichtete Luft abgebremst und legt sich in Verbindung mit der Luft im Hohlraum des Kolbens gleichsam wie ein Schleier über die Öffnung des Hohlraumes, um dann von der verdichteten Luft sofort in den Hohlraum mitgerissen zu werden. Die dabei auftretende Vermischung der Luft mit dem Kraftstoff erfolgt infolge der einfachen Formgebung der Verbrennungskammer in Verbindung mit der Strahllage des Kraftstoffstrahles so gut, daß sich, wie Versuche gezeigt haben, bei einem effektiven Mitteldruck von 7 atü ein spezifischer Kraftstoffverbrauch von 175 g/PSh bei einem Viertakt-Motor mit 1,33 1 Hubvolumen je Zylinder und 1800 U/min erreichen läßt.This effect is achieved in particular by the fact that the pre-injection is set so that taking into account the injection delay of the nozzle approximately 10 to 16 ° crank angle before TDC reaches the upper opening of the combustion chamber is, so that at the moment of high flow velocities the compressed Air the entire injection amount is introduced. The first takes place shortly afterwards Partial ignition. It then takes place through the eddies of the cylinder capacity into the combustion chamber inflowing air a mixing of the fuel jet with this air and then the residual combustion. , The fuel jet, which in the open air is only part of the applied to the cylinder axis associated side surfaces of the cavity, achieved In operation, to a large extent, this side surface is not at all, but becomes in the moment the injection is slowed down by the compressed air located above the piston and settles in connection with the air in the cavity of the piston as it were like a Veil over the opening of the cavity, then from the compressed air immediately to be carried away into the cavity. The resulting mixing of the air with the fuel takes place due to the simple shape of the combustion chamber in connection with the jet position of the fuel jet so well that, like experiments have shown a specific fuel consumption at an effective mean pressure of 7 atm of 175 g / PSh for a four-stroke engine with 1.33 1 displacement per cylinder and 1800 RPM can be reached.

Infolge der großen Entfernung der Einspritzdüsenöffnung vom Verbrennungskammermund erhitzt sich die Einspritzdüse nicht stark. Es erfolgt daher kein Koksansatz. Die geringe Erwärmung der Düse und die geringe Wärmeaufnahme des Kolbens aus der Verbrennungskammer ermöglichen den obenerwähnten Mitteldruck und den günstigen spezifischen Kraftstoffverbrauch.Due to the great distance of the injection nozzle opening from the combustion chamber mouth the injector does not heat up excessively. There is therefore no coke buildup. the low heating of the nozzle and the low heat absorption of the piston from the combustion chamber enable the above-mentioned mean effective pressure and the favorable specific fuel consumption.

Die große Öffnung zwischen Verbrennungskammer und Hubraum ergibt des weiteren eine Unempfindlichkeit im Strahlwinkel. Es läßt sich nicht vermeiden, daß nach längerer Betriebszeit der Kraftstoffstrahl Winkelabweichungen zeigt. Bei Verbrennungsverfahren, die diesem Strahl einen genauen Weg durch Aussparungen im Kolben usw. vorschreiben, werden sofort die Leistung des Motors und der Kraftstoffverbrauch verschlechtert, wenn der Strahl nur wenig von seiner genauen Richtung abweicht.The large opening between the combustion chamber and the displacement results in this further an insensitivity in the beam angle. It cannot be avoided that The fuel jet shows angular deviations after a long period of operation. In combustion processes, which prescribe an exact path for this jet through recesses in the piston, etc., the engine performance and fuel consumption are immediately degraded, when the ray deviates only a little from its exact direction.

Bei der erfindungsgemäßen Ausführung ist dagegen die kreisförmige Öffnung so groß, daß eine selbst erhebliche Winkelabweichung nur sehr geringen Einfluß auf die Leistung und den spezifischen Verbrauch des Motors hat. Ein solcher nach diesem Verfahren arbeitender Motor wird daher eine bedeutend größere Betriebssicherheit bei hochbeaufschlagten Motoren geben als Motoren mit verengten Spritzpforten oder Motoren, die mit Lochdüsen - sowohl Einlochdüsen als auch Mehrlochdüsen - arbeiten.In the embodiment according to the invention, however, it is circular The opening is so large that even a considerable angular deviation has very little effect on the performance and the specific consumption of the engine. One such after This method working engine is therefore a significantly greater operational reliability with highly loaded engines there are engines with narrowed spray ports or Motors that work with hole nozzles - both single-hole nozzles and multi-hole nozzles.

Da die erste Zündung des eingespritzten Kraftstoffes im Hubraum, d. h. in heißer, verdichteter Luft erfolgt, sind besondere Hilfsmittel zum Start des Motors, wie Glühkerzen oder Zündlunten, nicht erforderlich.Since the first ignition of the injected fuel in the cubic capacity, i. H. takes place in hot, compressed air, special aids are used to start the Motor such as glow plugs or ignition lugs are not required.

Besonders günstige Werte haben sich ergeben, wenn die Längsachse des Hohlraumes gegenüber der Zylinderachse um etwa ein Siebentel bis ein Zehntel des Wertes des Kolbendurchmessers versetzt ist und der im Kolben untergebrachte Anteil etwa drei Viertel des gesamten Verbrennungsraumes ausmacht. Der Neigungswinkel der Einspritzdüse im Zylinderkopf gegenüber der Zylinderachse beträgt mindestens 65°.Particularly favorable values have been obtained when the longitudinal axis of the Cavity relative to the cylinder axis by about one seventh to one tenth of the The value of the piston diameter is offset and the proportion accommodated in the piston makes up about three quarters of the entire combustion chamber. The angle of inclination of the Injection nozzle in the cylinder head in relation to the cylinder axis is at least 65 °.

In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung als Beispiel schematisch dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Kolbenboden und die Anordnung der Einspritzdüse im Zylinder-, kopf; Fig. 2 stellt die Anordnung von Kolben und Einspritzdüse im Grundriß dar.In the drawing, the subject matter of the invention is shown schematically as an example shown, namely Fig. 1 shows a longitudinal section through the piston head and the arrangement of the injection nozzle in the cylinder head; Fig. 2 illustrates the arrangement of the piston and injection nozzle in plan.

Ein in einem Zylinder 1 geführter Kolben 2 weist in seinem Kolbenboden 3 einen Verbrennungsraum auf. der aus einem zylindrischen Hals 4 und einem sich anschließenden Hohlraum 5 gebildet wird, während eine Einspritzdüse 6 im Zylinderkopf 7 seitlich schräg angeordnet ist. Die Fig. 1 stellt den Augenblick des Einspritzbeginns dar.A piston 2 guided in a cylinder 1 has its piston crown 3 a combustion chamber. which consists of a cylindrical neck 4 and a self subsequent cavity 5 is formed, while an injection nozzle 6 in the cylinder head 7 is arranged obliquely at the side. Fig. 1 represents the moment of the start of injection represent.

Claims

PATENT CLAIM: Air-cooled injection internal combustion engine with air compression, auto-ignition and a combustion chamber located in the piston, which is formed from a cylindrical neck and an adjoining cavity with a trapezoidal cross-section in the longitudinal direction of the piston, the height of the cavity being approximately the diameter of the combustion chamber neck with approximately a quarter corresponds to a fifth of the piston diameter, the transition from the base line to the side lines is made by strong roundings and the longitudinal axis of the combustion chamber is offset from the cylinder axis to the injection nozzle, while the injection nozzle is arranged at an angle in the cylinder head, characterized in that the with The injection nozzle equipped with a large jet angle is arranged at an angle of inclination in the cylinder head with respect to the cylinder axis of more than 65 ° and set back with respect to the combustion chamber neck and which runs in the direction of the injection nozzle axis In the open air, the jet cone hits the edge of the side surface section of the cavity, which closes the cavity, which is associated with the cylinder axis, so that only a part of the fuel jet reaches the cavity. References considered: British Patent Nos. 585,801, 611916; Swiss patent specification No. 296 441.