DE1146697B

DE1146697B - Brennkraftmaschine, insbesondere mit Niederdruckeinspritzung

Info

Publication number: DE1146697B
Application number: DEW17236A
Authority: DE
Inventors: Julius E Witzky
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1954-08-04
Filing date: 1955-08-03
Publication date: 1963-04-04
Also published as: US2831468A

Description

Brennkraftmaschine, insbesondere mit Niederdruckeinspritzung Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine, insbesondere mit Niederdruckeinspritzung, mit einer im Kolben angeordneten Vorkammer, die durch einen verengten Hals mit dem über dem Kolben befindlichen Hauptbrennraum verbunden ist, und mit einer im oberen Kolbentotpunkt in den verengten Hals hineinragenden Einspritzdüse, durch welche der Brennstoff in den zwischen Düse und Halswand gebildeten ringförmigen Luftdurchtrittsquerschnitt mittels radial auswärts gerichteter Einspritzöffnungen eingespritzt wird, wobei der die Vorkammer mit dem Hauptbrennraum verbindende Hals und der Einspritzdüsenkörpe.r mit in Richtung der Zylinderachse unterschiedlichen Abmessungen derart ausgebildet sind, daß sich der Luftdurchtrittsquerschnitt in Richtung der Zylinderachse und damit in Abhängigkeit von der Kolbenbewegung im Bereiche des oberen Kolbentotpunktes verändert.
Es sind Brennkraftmaschinen dieser Art bekannt, die mit Wirbelkammern im Kolbenboden versehen sind, bei denen sich der Düsenkörper nach seinem Ende zu konisch verjüngt, während der überströmkanal zwischen Hauptbrennraum und einer im Kolben angeordneten Wirbelkammer sich nach dem Hauptbrennraum zu erweitert. Bewegt sich der Kolben seinem oberen Totpunkt zu, ist der Luftdurchtrittsquerschnitt zunächst beim Eintritt des Düsenkörpers in den überströmkanal am größten und verringert sich stetig bis zum oberen Kolbentotpunkt. Da der Verdichtungsdruck im Zylinderraum im Augenblick des Eintritts des Düsenkörpers in den überströmkanal seinen Höchstwert noch nicht erreicht hat, ist auch die überströmgeschwindigkeit der aus dem Zylinderraum in die Wirbelkammer übertretenden Luft noch verhältnismäßig begrenzt und steigt erst mit zunehmender Annäherung des Kolbens an den oberen Kolbentotpunkt, indem einerseits der Verdichtungsdruck im Zylinderraum stark ansteigt und andererseits der Durchtrittsquerschnitt zwischen dem Düsenkörper und der Wandung des Überströmkanals zunehmend verringert wird.
Eine solche Änderung des Durchtrittsquersehnittes ist jedoch in Verbindung mit der radialen Einspritzung des Brennstoffes in die durchströmende Luft verhältnismäßig ungünstig, insbesondere dann, wenn es sich um eine Maschine mit Niederdruckeinspritzung handelt, da es gerade in diesem Falle darauf ankommt, schon im Bereich der beginnenden Brennstoffeinspritzung eine hohe Strömungsgeschwindigkeit der Luft und damit eine starke Zerstäubungswirkung zu erreichen.
Dieses Ziel wird auch dann nicht erreicht, wenn der den Hauptbrennraum mit einer Vor- oder Wirbelkammer verbindende Hals zylindrisch ausgebildet ist, da in diesem Falle über den ganzen Bereich der Brennstoffeinspritzung ein konstanter Durchtrittsquerschnitt vorhanden ist, so daß mit Rücksicht auf die zunehmende Verdichtung im Hauptbrennraum die Strömungsgeschwindigkeit der Luft im Durchtrittsquerschnitt zunächst ebenfalls noch relativ gering und erst hierauf allmählich verstärkt wird.
Auch diese bekannten Ausführungen nehmen also auf die günstigsten Verhältnisse zur Beladung der durchströmenden Luft mit Brennstoff nicht genügend Rücksicht und sind daher insbesondere auch für Niederdruckmaschinen ungeeignet, die vor allem den Vorteil der Einfachheit haben und gegenüber Hochdruckeinspritzanlagen weniger zu Störungen infolge von Undichtheiten od. dgl. neigen.
Die Erfindung bezweckt demgegenüber eine vor allem auch für Niederdruckeinspritzung ,günstigste Anpassung von Luftströmung und Brennstoffeinspritzung und besteht im wesentlichen darin, daß der die Vorkammer mit dem Hauptbrennraum verbindende Hals in an sich bekannter Weise .sich nach dem Hauptbrennraum zu verengt und der den Hals im oberen Kolbentotpunkt bis zur Vorkammer durchsetzende Düsenkörper sich nach der Vorkammer zu - z. B. birnenförmig - verdickt, wobei die Einspritzöffnungen im verdickten Teil des Düsenkörpers angeordnet sind und die Einspritzung vor Erreichen des oberen Kolbentotpunktes beginnt, so daß im Bereich der beginnenden Brennsxoffeinspritzung der engste Querschnitt der den Hauptbrennraum mit der Vorkammer verbindenden Halsöffnung an den Einspritzöffnungen vorbeigeht und im oberen Kolbentotpunkt oberhalb dieser Öffnungen steht.
Durch eine solche Ausbildung von Halsöffnung und Düsenkörper wird erreicht, daß einerseits bei Beginn der Einspritzung eine besonders hohe Zerstäubungswirkung erzielt wird, indem durch Verringerung des überströmquerschnittes die in diesem Zeitpunkt an sich noch nicht ihre Höchstgeschwindigkeit besitzende Verdrängerströmung durch die Drosselwirkung im Durchtrittsquerschnitt erhöht wird. Die dadurch bewirkte intensive Zerstäubung des Brennstoffes bei Beginn der Einspritzung kann dadurch für Niederdruckmaschinen in einem entscheidenden Maße gefördert werden.
Andererseits wird aber durch die anschließende Wiedervergrößerung des Durchtrittsquerschnittes eine übermäßige Drosselwirkung zwischen Hauptbrennraum und Vorkammer während der nachfolgenden Einspritzperiode und damit eine Leistungseinbuße der Maschine verhindert.
Durch entsprechende Bemessung des Verbindungshalses und des Düsenkörpers kann in besonders günstiger Weise erreicht werden, daß eine aus dem Hauptbrennraum in die Vorkammer gerichtete, im wesentlichen konstante hohe Luft- bzw. Gasgeschwindigkeit am Austritt der Düsenöffnungen innerhalb des Verbindungshalses erzeugt wird, indem sich entsprechend der Zunahme des Verdichtungsdruckes der Durchtrittsquerschnitt mit dem Kolbenhub entsprechend vergrößert. Vorzugsweise wird ferner die Zeitdauer der Brennstoffeinspritzung so gewählt, daß sich diese über den oberen Kolbentotpunkt hinaus .mindestens bis zu demjenigen Zeitpunkt erstreckt, an dem im Kolbenrückgang der engste Querschnitt der Halsöffnung im Kolben sich wieder in Höhe der Einspritzöffnungen befindet, während im oberen Kolbentotpunkt die Halsöffnung etwa in Höhe der Einspritzöffnungen in die Vorkammer ausmündet.
Vorteilhaft ist ferner der Kolbenboden gegen den Zylinderkopf zu gewölbt, wobei er im oberen Kolbentotpunkt von einer entsprechend gewölbten Ausnehmung des Zylinderkopfes aufgenommen wird. Der Hauptbrennraum wird hierbei vorzugsweise, wie an sich bekannt, durch eine ringförmige Vertiefung im Kolbenboden gebildet, die den Verbindungshals ringförmig umschließt, insbesondere derart, daß zwischen Verbindungshals und ringförmigem Hauptbrennxaum eine radial und gegen den Zylinderkopf vorspringende ringförmige Lippe entsteht.
Zwecks günstiger Verteilung des Brennstoffes auf die vorbeiströmende Luft erweitern sich die Brennstoffaustrittskanäle der Düse vorzugsweise im Querschnitt nach außen, wobei sie durch ein selbsttätig sich gegen Federwirkung öffnendes Düsenventil gesteuert werden können.
Vorkammer und Düse sind zur Erzielung gleichmäßiger Mischungsverhältnisse vorteilhaft zentral oder leicht außermittig zur Zylinderachse angeordnet, wobei jedoch der in den Verbindungskanal hineinragende Teil des Düsenkörpers aus Gründen einer besseren Unterbringung, einer guten Kühlwirkung des Zylinderkopfes bzw. der im Zylinderkopf angeordneten Ventile sowie aus Gründen einer guten Zugänglichkeit zweckmäßig unter einem Winkel in. einem den Zylinderkopf durchsetzenden, schräg zur Zylinderachse angeordneten Hauptdüsenkörper eingesetzt ist.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem Schnitt durch einen Zylinder einer Brennkraftmaschine dargestellt.
In der Zeichnung bezeichnet 10 den Zylinder einer Brennkraftmaschine und 12 den Zylinderkopf. Wie bei 14 gezeigt, ist der Zylinder mit einem Wassermantel versehen und weist eine Laufbuchse 16 auf. Der Zylinderkopf ist mit einer konkaven, dem Inneren des Zylinders zugekehrten Fläche 18 ausgebildet und weist einen Auslaßkana120 sowie einen nicht gezeigten Einlaßkanal auf, die an der konkaven Fläche, vorzugsweise an deren Umfang, münden, wobei ein zur hin- und hergehenden Bewegung im Zylinderkopf angeordnetes Ventil 22 die Strömung der Gase durch den Kanal 20 steuert. Das Ventil 22 ist von üblicher Art und mit einem Ventilteiler 24 ausgebildet, der normalerweise auf einem Sitz 26 aufruht. Der Zylinderkopf 12 besitzt ferner eine Öffnung 28, die mit dem durch die konkave Fläche 18 begrenzten Raum in Verbindung steht und gegenüber deren Mitte ,geringfügig versetzt ist. Diese Öffnung ist an ihrem einen der konkaven Fläche 18 benachbarten Ende mit einer abgeschrägten Wand, wie bei 30 gezeigt, ausgebildet. An ihrem anderen Ende ist die Öffnung mit einem Innengewinde 32 versehen, während sie zwischen dem abgeschrägten und dem mit einem Innengewinde versehenen Wandteil einen erweiterten Durchmesser zur Bildung eines ringförmigen Kanals 34 aufweist. Die Aufgabe dieses Kanals besteht darin, eine allgemein mit 36 bezeichnete und nachstehend näher beschriebene Einspritzvorrichtung aufzunehmen.
Im Zylinder ist ein Kolben 38 beweglich, der einen Boden 40 und einen Mantel 42 besitzt, welch letzterer Kolbenringe üblicher Art trägt. Der Kolbenboden ist mit einer der konkaven Fläche des Zylinderkopfes entsprechenden konvexen Fläche ausgebildet und weist eine konzentrisch angeordnete ringförmige Eintiefung 46 auf, die in Verbindung mit der Fläche 18 einen ringförmigen Hauptbrennraum 48 bildet. Im Kolbenboden ist ferner geringfügig außermittig eine Vorkammer 50 vorgesehen, die einen Hals 52 aufweist, welcher mittig in den ringförmigen Hohlraum 48 mündet.
Die Vorkammer ist in ihrer Form annähernd kugelförmig und weist an ihrer Innenwand eine erhabene konische Fläche 54 auf, die dem Hals gegenüberliegend vorgesehen ist. Der Hals 52 besitzt an seinem der Vorkammer zugekehrten Ende einen größeren Durchmesser als an seinem dem Hauptbrennraum zugekehrten Ende, wobei das letztere sich erweiternd in den Innenraum des ringförmigen Hohlraumes 48 übergeht und mit diesem Innenrand eine verengte Lippe 56 bildet, deren Aufgabe nachstehend näher erläutert wird.
Die Brennstoffeinspritzvorrichtung 36 weist einen Einsatzkörper 58 mit einem sich entsprechend dem abgeschrägten oder sich verjüngenden Wandteil 30 der Öffnung 28 verjüngenden Ende 60 auf. Das andere Ende 62 des Einsatzkörpers besitzt einen verringerten Durchmesser zur Bildung einer Schulter 64, die mit einem Schlitz 66 zur Aufnahme eines hohlen, in die Wand der Öffnung eingeschraubten Stifts 68 versehen ist. Der Stift 68 dient dazu, den Einsatzkörper 58 in der Öffnung 28 so zu halten, daß das verjüngte Ende des Einsatzkörpers mit genauer Passung in dem abgeschrägten Teil der Öffnung sitzt, wobei eine Befestigungsmutter 70, die in das Gewinde 32 des äußeren Endes der Öffnung eingeschraubt ist, an der Schulter 64 anliegt und dazu dient, den Einsatzkörper gegen den abgeschrägten Teil der öffnung dichtend anzudrücken.
An eine im verjüngten Ende des Einsatzkörpers vorgesehene Ausnehmung 72 schließt sich eine konzentrische Bohrung 74 an, die ihrerseits über einen Kanal 76 mit dem ringförmigen Kanal 34 in Verbindung steht. Ein weiterer an die Ausnehmung 72 anschließender Kanal 78 steht mit einem Kanal 80 in Verbindung, der sich axial durch den Einsatzkörper erstreckt und mit einer nicht gezeigten Niederdruckpumpe verbunden ist.
Eine in die Ausnehmung 72 eingeschraubte Düse 82 ragt in den Hauptbrennraum hinein und erstreckt sich in den Hals 52 der Vorkammer. Die Düse ist annähernd birnenförmig ausgebildet und hat an ihrem freien Ende einen vergrößerten und an ihrem Hals einen verringerten Durchmesser. Das freie Ende ist, wie bei 84 gezeigt, konisch ausgebildet, während die Form des Düsenkörpers an seinem freien Ende der Form des Halses entspricht, jedoch zwischen beiden ein beträchtliches Spiel vorgesehen ist. Die Düse weist eine Ventilkammer 86 auf, die mit der Bohrung 74 des Einsatzkörpers fluchtet, und ist mit in gleichen Abständen voneinander angeordneten Kanälen 88 versehen, die sich nach außen erweitern und mit ihrem erweiterten Ende in den Hals 52 münden. Ein in der Ventilkammer gleitbares Nadelventil 90 ist durch eine Feder 92 belastet, die sich in der Bohrung 74 abstützt, um die Kanäle 88 zu verschließen, wobei ein Kanal 94 die Ventilkammer 86 und einen ringförmigen Kanal 96 mit dem zum axialen Kanal 80 führenden Kanal 78 verbindet.
Bei normalem Betrieb werden beim Auspuffhub der Hauptbrennraum und die Vorkammer entleert. Beim Saughub wird der Zylinder mit neuer Verbrennungsluft gefüllt.
Beim Verdichtungshub, wenn sich der Kolben 40 der Düse 82 annähert, nehmen die Lippen 56 des Kolbenbodens das birnenförmige Ende der Düse mit einem geringen Spiel auf, was eine heftige Bewegung der in die Vorkammer 50 einströmenden Luft zur Folge hat. Diese hohe Geschwindigkeit der an den Brennstofföffnungen vorbeiströmenden Luft fördert Brennstoff in die Vorkammer. Wenn eine Niederdruckeinspritzpumpe verwendet wird, beginnt in dem Zeitpunkt, in dem der Kolben das birnenförmige Ende der Düse während des Verdichtungshubes erreicht, eine Niederdruckeinspritzung, welche ausreichend ist, da der Brennstoff nicht unbedingt in die Verbrennungsluft in einem wesentlichen Ausmaß eindringen muß. Es ist keine Zerstäubung erforderlich, da die hohe Geschwindigkeit der an den Öffnungen 88 vorbeiströmenden Luft eine gründliche Verteilung und Zerstäubung des Brennstoffs gewährleistet und den Druck vor den Öffnungen herabsetzt. Mit anderen Worten, es sucht, entgegengesetzt zu dem üblichen Verfahren, die Luft den Brennstoff auf, statt der Brennstoff die Luft.
Die Verbrennung des Brennstoffs beginnt mit einem sehr kurzen Zündverzug, da die zur Zerstäubung verwendete Luft bereits eine höhere Temperatur hat, als der Entzündungstemperatur des Brennstoffes entspricht, und das sich ergebende Gemisch verbrennt in dem Augenblick seiner Entstehung, da die sich rasch bewegende Luft den Brennstoff ebenso rasch, wie er aus der Düse austritt, entzündet, aufspaltet und verbrennt.
Nachdem der Kolben den oberen Totpunkt überschritten hat und die gesamte Luft in der Vorkammer zur Verbrennung verbraucht worden ist, hat der gleichzeitige Druckanstieg eine Gasströmung von hoher Geschwindigkeit in der entgegengesetzten Richtung an den Brennstofföffnungen vorbei zur Folge, wodurch Brennstoff in feiner Zerstäubung in den ringförmigen Hauptbrennraum gebracht wird, in welchem der Rest der Luft zur Vervollständigung der Verbrennung verwendet wird.
Bei Verwendung einer Niederdruckeinspritzpumpe wird die Beendigung der Einspritzung durch die Kolbenbewegung bestimmt, und zwar muß in dem Augenblick, in dem die Lippe des Kolbens das birnenförmige Ende der Düse beim Arbeitshub freigibt, die Einspritzung beendet sein. Die maximale Dauer der Einspritzung wird durch die Zeit bestimmt, während welcher der Kolben das Ende der Düse bedeckt.
Obwohl die Erfindung an Hand einer bestimmten Ausführungsform beschrieben worden ist, kann sie innerhalb ihres Rahmens beliebige Abänderungen erfahren.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Brennkraftmaschine, insbesondere mit Niederdruckeinspritzung, mit einer im Kolben angeordneten Vorkammer, die durch einen verengten Hals mit dem über dem Kolben befindlichen Hauptbrennraum verbunden ist, und mit einer im oberen Kolbentotpunkt in den verengten Hals hineinragenden Einspritzdüse, durch welche der Brennstoff in den zwischen Düse und Halswand gebildeten ringförmigen Luftdurchtrittsquerschnitt mittels radial auswärts gerichteter Einspritzöffnungen eingespritzt wird, wobei der die Vorkammer mit dem Hauptbrennraum verbindende Hals und der Einspritzdüsenkörper mit in Richtung der Zylinderachse unterschiedlichen Abmessungen derart ausgebildet sind, daß sich der Luftdurchtrittsquerschnitt in Richtung der Zylinderachse und damit in Abhängigkeit von der Kolbenbewegung im Bereiche des oberen Kolbentotpunktes verändert, dadurch gekennzeichnet, daß der die Vorkammer mit dem Hauptbrennraum verbindende Hals (52) in an sich bekannter Weise sich nach dem Hauptbrennraum (48) zu verengt und der den Hals im oberen Kolbentotpunkt bis zur Vorkammer durchsetzende Düsenkörper (84) sich nach der Vorkammer zu - z. B. birnenförmig f verdickt, wobei die Einspritzöffnungen (88) im verdickten Teil des Düsenkörpers angeordnet sind und die Einspritzung vor Erreichen des oberen Kolbentotpunktes beginnt, so daß im Bereich der beginnenden Brennstoffeinspritzung der engste Querschnitt der den Hauptbrennraum (48) mit der Vorkammer (50) verbindenden Halsöffnung (52) an den Einspritzöffnungen vorbeigeht und im oberen Kolbentotpunkt oberhalb dieser öffnungen steht. z. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Zeitdauer der Brennstoffeinspritzung über den oberen Kolbentotpunkt hinaus mindestens bis zu demjenigen Zeitpunkt erstreckt, an dem im Kolbenrückgang der engste Querschnitt der Halsöffnung (52) im Kolben sich wieder in Höhe der Einspritzöffnungen (88) befindet. 3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Kolbentotpunkt die Ausmündung der Halsöffnung (52) in die im Kolben angeordnete Vorkammer (50) sich etwa in Höhe der Einspritzöffnungen (88) befindet. 4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenboden gegen den Zylinderkopf zu gewölbt ist und im oberen Kolbentotpunkt von einer entsprechend gewölbten Ausnehmung (18) des Zylinderkopfes aufgenommen wird. 5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptbrennraum (48) in an sich bekannter Weise durch eine ringförmige Vertiefung (46) im Kolbenboden gebildet wird, welche den Verbindungshals (52) ringförmig umschließt. 6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Verbindungshals (52) und ringförmigem Hauptbrennraum (46) eine radial und gegen den Zylinderkopf vorspringende ringförmige Lippe (56) gebildet ist. 7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffaustrittskanäle (88) der Düse, welche vorzugsweise durch ein selbsttätig sich gegen Federwirkung (92) öffnendes Düsenventil (90) gesteuert werden, in an sich bekannter Weise sich im Querschnitt nach außen erweitern. B. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei etwa zentraler Anordnung der Vorkammer (50) und der Düse in Richtung der Zylinderachse der in den Verbindungshals (52) hineinragende Teil (82) des Düsenkörpers unter einem Winkel in einen den Zylinderkopf durchsetzenden, schräg zur Zylinderachse angeordneten Hauptdüsenkörper eingesetzt ist. 9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der die Ventilfeder (92) aufnehmende Raum (74) hinter dem Düsenventil (90) über einen den Düsenkörper umgebenden Ringraum (34) an eine Rück- oder Lüftungsleitung angeschlossen ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 489 782; französische Patentschrift Nr. 1048 768; USA.-Patentschriften Nr. 1708 056, 2 488 857, 2674984.