DE2125517A1 - Hubkolben-brennkraftmaschine mit brennstoffeinspritzung - Google Patents

Description

Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg Aktiengesellschaft 89 Augsburg, Stadtbachstraße 1

P. B. 2612 / 1026 Augsburg, den 19. Mai 1971

Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Brennstoffeinspritzung

Die Erfindung betrifft eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Brennstoffeinspritzung. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine derartige Brennkraftmaschine zu schaffen, die bei geringem Herstellungsaufwand einen ruhigen Lauf und einen günstigen spezifischen Brennstoffverbrauch, insbesondere durch kurze, Verluste weitgehend vermeidende Strömungswege für die Verbrennungsluft und das verbrennende Gemisch, aufweist.

Erfindungsgemäß wird dies durch die Kombination folgender Merkmale erreicht:

a) im Kolben ist ein vom Zylinderraum abgetrennter Brennraum vorgesehen,

b) die Verbrennungsluft tritt unter Bildung eines Wirbels um die Zylinderachse mit Drall in den Zylinderraum ein,

c) der Brennraum hat zum Zylinderraum hin eine zentrale

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Öffnung und mehrere die Öffnung umgebende, im Randbereich des Brennraums mündende Kanäle,

d) die Kanäle liegen auf Mantelflächen eines Prismas oder einer Pyramide und sind in Richtung der Drallbewegung der in den Zylinderraum eingeführten Verbrennungsluft geneigt zur Zylinderachse angeordnet,

e) , die Zuführung des Brennstoffs erfolgt durch einen der Kanäle vom Zylinderkopf aus mittels einer exzentrisch in diesem angeordneten Einspritzdüse,

f) die Querschnittsfläche der zentralen Öffnung beträgt das 1/2- bis 3fache der Summe der Querschnittsflächen der Kanäle,

g) am Zylinderkopf ist ein vor Erreichen der oberen Totpunktlage des Kolbens in die zentrale Öffnung eintauchender Verschlußkörper befestigt. ■: ;

Aus der deutschen Patentschrift 1 012 115 ist zwar eine Einspritz Brennkraftmaschine mit Einführung der Verbrennungsluft in den Zylinder und in einen vom Zylinderraum abgedeckten Brennraum im Kolben bekannt, bei der der Brennstoff mittels einer am Zylinderkopf exzentrisch angeordneten Einspritzdüse durch einen von einer Mehrzahl im Randbereich des Brennraums mündenden Kanäle eingespritzt wird, es fehlt jedoch die zentrale Öffnung und die initiale Luftbewegung. Zur Erzielung einer kräftigen Wirbelbewegung im Brennraum muß die Verbrennungsluft beim Durchströmen der Kanäle

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einen ausreichenden Impuls erhalten, also eine gewisse Geschwindigkeit erreichen, wodurch bei vorgegebenem Durchsatzvolumen die Summe der Querschnittsflächen der Kanäle begrenzt ist. Dadurch wiederum fallen beim Durchströmen der Kanäle erhebliche Drosselverluste an, die letztlich aus der Energie des Brennstoffs gedeckt werden müssen und somit den spezifischen Brennstoffverbrauch erhöhen. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Anordnung besteht darin, daß noch nicht vollständig verbrannter, in den heißen, durch die Wirbelbewegung in der Mitte des Brennraums konzentrier« ten Gase eingelagerter Brennstoff während der Expansion durch den Umweg über die im Randbereich des Brennraums angeordneten Kanäle relativ spät in den Zylinderraum gelangt, so daß eine vollständige Verbrennung dieses Brennstoffs nicht gewährleistet ist. Auch die dadurch erfolgende mangelnde Ausnutzung des zugeführten Brennstoffs wirkt sich naturgemäß negativ auf den spezifischen Brennstoffverbrauch aus.

Dieser letzte Nachteil ist bei der aus der deutschen Patentschrift 1 240 699 bekannten Hubkolben-Brennkraftmaschine vermieden. Durch die hier vorgesehene zusätzliche zentrale öffnung können unverbrannte Brennstoffteilchen aus dem Wirbelkern bei der Expansion schnell in den Zylinderraum gelangen. Aber die Ausbildung des Wirbels wird durch die zentrale öffnung gestört, da durch diese öffnung die Luft im Gegensatz zu der Erfindung, nach der die Verbrennungsluft unter Bildung eines Wirbels um die Zylinderachse mit Drall in den Zylinderraum eingeführt wird, ohne Drall in den Brennraum einströmt. Dadurch kann keine entscheidende Verminderung der Drosselverluste und gleichzeitig eine Erhöhung des Dralles im Brennraum erzielt werden. Eine erhebliche Vergrößerung der zentralen Öffnung würde

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zwar einerseits die auftretenden Drosselverluste mindern, andererseits jedoch die Ausbildung des Wirbels im Brennraum in einem nicht mehr tragbaren Ausmaß stören.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Unter ansprüchen. Es zeigt

Figur 1 einen Längsschnitt durch einen erfin»

dungsgemäßen Brennraum,

Figur 2 die Ansicht des Kolbens nach Figur 1 von

oben,

Figur 3 einen Schnitt entlang der Linie III - III

in Figur 2,

Figur 4 eine Figur 1 entsprechende Darstellung

P · eines anderen Ausführungsbeispiels.

Die Ausführungsform nach Figur 1 zeigt einen Kolben 1, einen Zylinderkopf 2 und einen dazwischenliegenden Zylinderraum 3. Der Kolben weist einen zentral angeordneten, im wesentlichen zur Zylinderlängsachse A-A rotationssymmetrischen Brennraum 4 auf, der gegen den Zylinderraum 3, hier beispielsweise durch eine im Oberteil des Kolbens 1 versenkt angeordnete, aus einem hochwarmfesten Werkstoff hergestellte Platte 5, abgedeckt ist. Die Platte 5 ist mittels Schrauben 6 am Kolben 1 befestigt. Dieser obere Brennraumabschluß weist,

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wie aus der Darstellung in Figur 2 deutlich wird, drei im Randbereich des Brennraums 4 mündende Kanäle 7, 8, 9 und eine zentrale Öffnung 10 auf. Die Kanäle 7, 8, 9 verlaufen geradlinig und mit gleichem Durchmesser, so daß sie einfach herstellbar sind. Die Querschnittsfläche des Kanals 9 ist größer als die der Kanäle 7, 8 ausgeführt. Während der Endphase des Kompressionshubs wird mittels einer exzentrisch im Zylinderkopf 2 angeordneten Einspritzdüse 11, die in den Kanal 9 eindringt, in den Brennraum 4 eingespritzt.

Die Verbrennungsluft wird durch nicht dargestellte Ventile im Zylinderkopf 2 mit einem im vorliegenden Ausführungsbeispiel entgegen dem Uhrzeigersinn gerichteten Drall in den Zylinderraum 3 eingeführt (Pfeil a). Die Kanäle 7, 8, 9 liegen auf den Mantelflächen eines gedachten Prismas, dessen drei Mantelflächen parallel zur Achse A-A verlaufen und sind, wie in Figur 3 durch den Winkel eO angedeutet, in Richtung der Drallbewegung der Luft geneigt angeordnet. Sie münden in dem äußeren Randbereich des Brennraums 4. Am Zylinderkopf 2 ist ferner ein Verschlußkörper 12 vorgesehen, dessen Form so gewählt ist, daß er in die zentrale öffnung 10 hineinpaßt und diese weitgehend abschließen kann.

Zu Beginn eines Kompressionshubs strömt Verbrennungsluft sowohl

durch
durch die Kanäle 7, 8, 9 als auch Am. die zentrale öffnung 10 vom Zylinderraum 3 in den Brennraum 4 ein. Durch die Neigung der Kanäle 7, 8, 9 ist sichergestellt, daß die hier durchtretende Verbrennungsluft ohne wesentliche Umlenkverluste in den Brennraum 4 eintreten kann und in diesem Raum ebenfalls einen urn die Achse A-A gerichteten Luftwirbel (Pfeil a) erzeugt. Die Kanäle 7, 8, 9 sind im Vergleich zu bekannten Anovdnungem durch ihre Neigung in Richtung der Luftströmung nicht als Drosselöffnungen aufzufassen, sondern

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sie wirken als im wesentlichen parallel zur Strömung liegende Leitkanäle. Ihr Querschnitt kann deshalb relativ groß gewählt werden, ohne daß eine zu geringe Drehenergie im Brennraum 4 entsteht. Der andere Teil der Verbrennungsluft kann ebenfalls mit Vordrall in der erwünschten Richtung durch die zentrale Öffnung 10 weitgehend ohne Drosselverluste in den Brennraum 4 gelangen. Auch die geringe Länge der Kanäle 7, 8, 9 und der zentralen öffnung 10 in der verhältnismäßig dünnen Platte 5 wirken mit, die Strömungsverluste und damit P den für den Gaswechsel erforderlichen Energiebedarf klein zu halten.

In der Endphase des Kompressionshubes läuft die zentrale Öffnung über einen Verschlußkörper 12. Dadurch wird weitgehend der Durchtritt von Verbrennungsluft durch die zentrale öffnung 10 hindurch in den Brennraum 4 verhindert. Die nunmehr nur noch durch die Kanäle 7, 8, 9 durchtretende, bereits erheblich komprimierte Verbrennungsluft kann infolgedessen einen starken, durch andere Luftbewegungen nicht mehr beeinflußten Luftwirbel im Brennraum 4 bilden und zeitlich begrenzt die Abschnürung des Brennraums 4 vom Zylinderraum 3 verstärken. Etwa gleichzeitig beginnt die Brennstoffeinspritzung. W Die in den Kanal 9 ragende Einspritzdüse 11 läßt den Brennstoff etwa

parallel zur Achse des Kanals 9 mit einer in Richtung des Luftwirbels verlaufenden Bewegungskomponente in den Brennraum 4, wie die Figuren 2 und 3 anhand der dort eingezeichneten Mittellinie 13 für die Brennstoff strahlen erkennen lassen, und beginnt sich im Brennraum zu entzünden. Der Luftwirbel hat dabei eine zentrifugierende Wirkung, so daß sich die noch nicht entzündeten und damit kühleren, schwereren Teile im Wandbereich des Brennraums 4 bewegen, während die bereits entzündeten und damit heißeren leichteren Teile in die Gegend des

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Wirbelkernes gedrückt werden und dann erfindungsgemäß einen Abfluß in den Zylinderraum 3 finden, wenn die zentrale öffnung 10 frei wird. Beim Breiwerden der zentralen öffnung 10 wird plötzlich ein zusätzlicher Strömungsweg vom Brennraum 4 in den Zylinder raum 3 geschaffen, durch den hindurch das Gas im Bereich der Achse A-A des Brennraums 4 schnell ausströmt, da durch die vorherige verstärkte Abschnürung des Brennraums 4 vom Zylinderraum 3 ein erhöhtes Druckgefälle zum Zylinderraum 3hin aufgebaut wurde.

Es erfolgt also eine logische Se par ie rung von Verbranntem und Unverbranntem auch im Zylinderraum 3 und nicht nur, wie bei den bisherigen Lösungen, eine allgemeine Vermischung von Verbranntem und Unverbranntem mit der Verbrennungsluft im Zylinderraum 3. Es wird die Mischung des noch Unverbrannten im Bereich der Wand des Brennraums 4 mit der Verbrennungsluft irn Zylindt :?aum 3 bewußt bevorzugt, indem die Mischungsenergie und die Verbrennungsluft, die sich im Zylinderraum 3 befindet, im wesentlichen auf das Unverbrannte, das durch die peripher is eben Kanäle 7, 8, 9 austritt, konzentrieren. Die gute Durchmischung des mit unverbranntem Brennstoff angereicherten Gases mit der restlichen Verbrennungsluft im Zylinderraum 3 wird insbesondere dadurch erreicht, daß die aus dem Brennraum 4 im Expansionshub austretende Gasströmung durch die Neigung (Neigungswinkel ζΟ) der Kanäle 7, 8, 9 der ursprünglichen Drallbewegung die Verbrennungsluft im Zylinderraum 3 entgegengerichtet ist. Die Schlußphase der Verbrennung erfolgt somit im wesentlichen in einem ringförmigen Bereich um die zentrale öffnung herum und hat ihren Kern in radialem Abstand der Kanäle 7, 8, 9« Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist es weiterhin, daß die Strömungswege des noch mit ttnverbranntem gesättigten Gases so

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klein wie möglich gehalten werden und dadurch Luft und Brennstoff schnell zueinander finden. Insbesondere durch den erfindungsgemäß erreichten zweistufigen Ablauf des Verbrennungs vor ganges wird ein ruhiger Lauf der Maschine erzielt. Dabei erlaubt die strömungstechnisch und funktionell günstige Anordnung der zentralen Öffnung und der Kanäle 7, 8_t 9 in der geschilderten Weise einerseits eine vollständige Nutzung des eingespritzten Brennstoffs und ergibt andererseits durch die Minimierung der auftretenden Strömungsver- ψ luste einen optimalen spezifischen Brennstoffverbrauch.

In dem Ausführungsbeispiel nach Figur 4 ist der Brennraum 14 in einem Kolben 15 gegen einen Zylinderraum 16 mit einem als Platte ausgebildeten Abschluß versehen, der im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach Figur 1 an seiner Oberseite eine zusätzliche Ausnehmung 18 aufweist. Durch diese Ausnehmung 18 wird in der oberen Totpunktlage des Kolbens 15 ein größeres Luftvolumen im Bereich oberhalb des Brennraumes 14 im Zylinderraum 16 belassen, so daß die im entsprechend kleiner bemessenen Brennraum 14 beginnende Verbrennung wegen des schneller auftretenden Sauerstoffmangels im Brennraum 14 zu einem höheren Anteil an unverbranntem Brennstoff führt, der durch den im Zylinderraum 16 angesammelten Sauerstoff nach dem Austritt aus dem Brennraum 14 vollständig verbrannt wird.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind weiterhin die Kanäle, z. B. 19, in der Platte 17 außer um den Winkel °O auch noch um den Winkel ß in Richtung zur Achse A-A des Brennraumes 14 geneigt. Sie liegen also auf Mantelflächen einer gedachten Pyramide, deren Seitenkanten einen Winkel von 2 ß einschließen. Der Winkel 2 ß beträgt da-

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bei weniger als 90 . Die Bohrung der Einspritzdüse 20 ist hierbei so angeordnet» daß die Mittellinie 21 des Brennstoffstrahles ebenfalls etwa die gleiche Neigung (Winkel ß) wie der Kanal 19 aufweist.

In Figur 4 ist zudem eine an sich bekannte Zündvorrichtung dargestellt, mit der zur verbesserten Steuerung des Beginns der Verbrennung eine Fremdzündung durchgeführt werden kann. Die Zündvorrichtung besteht aus einer im Zylinderkopf angeordneten Zündelektrode 22, die in der Gegend des oberen Totpunktes des Kolbens 15 durch eine auch als zusätzlicher Kanal dienende Ausnehmung 23 in den Brennraum 14 hineinragt. In der Endphase des Kompressionshubs nähert sich die Spitze 24 der Zündelektrode 22 der Wand des Brennraums 14 und entlädt sich bei Erreichen eines vorbestimmbaren Abstands gegen die Masse des Kolbens 15 unter Funkenbildung.

Die vorstehend beschriebene und erläuterte erfindungsgemäße Anordnung eignet sich sowohl für eine luftverteilte Einspritzung in den Brennraum 4 bzw. 14 wie auch für ein Aufspritzen des Brennstoffs auf die heiße Brennraumwand. In jedem Falle können weitere, an sich bekannte Maßnahmen getroffen werden, um den Verbrennungsvorgang im Brennraum zu beeinflussen, wie beispielsweise ein Vorsehen von Ablenkflächen für die Luft und/oder den Brennstoff im Bereich der B r ennr aum wände.

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Claims (9)

- 10 Ansprüche

1. ) Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Brennstoffeinspritzung,

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) im Kolben (l) ist ein vom Zylinderraum (3) abgetrennter Brennraum (4) vorgesehen,

ρ b) die Verbrennungsluft tritt unter Bildung eines Wirbels um

die Zylinderachse {A - A) mit Drall in den Zylinderraum (3, 16) ein,

c) der Brennraum (4) hat zum Zylinderraum (3) hin eine zentrale Öffnung {10} und mehrere die Öffnung umgebende, im Randbereich des Brennraums (4} mündende Kanäle,

d) die Kanäle (7, 8, 9) liegen auf Mantelflächen eines Prismas oder einer Pyramide und sind in Richtung der Drallbewegung der in den Zylinderraum (3) eingeführten Verbrennungsluft zur Zylinderachse (A - A) geneigt angeordnet,

e) die Zuführung des Brennstoffs erfolgt durch einen der Kanäle (7, 8, 9) vom Zylinderkopf (2) aus mittels einer exzentrisch in diesem angeordneten Einspritzdüse (ll)i

f) die Querschnittsfläche der zentralen Öffnung (1O) beträgt das 1/2- bis 3fache der Summe der Querschnittsflächen der Kanäle (7, 8, 9),

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g) am Zylinderkopf (2) ist ein vor Erreichen der oberen Totpunktlage des Kolbens {l} in die zentrale öffnung {10} eintauchender Verschlußkörper (12) befestigt.

2. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen mittels einer Platte (5) aus einem hochwarmfesten Werkstoff zum Zylinderraum (3) hin abgetrennten Brennraum (4),

3. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen im wesentlichen rotations symmetrischen Brennraum (4, 13).

4. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche

1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Brennraums (4, 14) mit der Zylinderlängsachse (A - A) zusammenfällt.

5. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzrichtung im wesentlichen parallel zur Achse des Kanals {9, 19) liegt, durch den die Einspritzung erfolgt.

6. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen gegenüber den anderen Kanälen $7, 8) erweiterten Kanal (9) für die Brennstoffeinspritzung.

7. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte {5, 17) im Kolbenboden versenkt angeordnet ist.

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8. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche

1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände des Brennraums (4, 14) Ablenkflächen für die Luft und/oder den Brenn· stoff aufweisen.

9. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine an sich bekannte, in den Brennraum (14) einführbare Zündelektrode (22).

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