DE2611624A1

DE2611624A1 - Verbrennungsverfahren und einrichtung zum durchfuehren des verfahrens fuer eine fremdgezuendete, luftverdichtende brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2611624A1
Application number: DE19762611624
Authority: DE
Inventors: Franz Dipl Ing Chmela; Alfred Dr Ing Urlaub
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 1976-03-19
Filing date: 1976-03-19
Publication date: 1977-09-22
Also published as: SU978741A3; HU175119B; DE2611624C2; GB1566499A; RO77765A; SE437398B; SE7703080L; JPS52113412A; IT1076980B; US4294206A; FR2344717B1; JPS5930891B2; CH621852A5; DD129474A1; FR2344717A1

Description

Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg
Aktiengesellschaft

Nürnberg, 9- März 19δ7

Verbrennungsverfahren und Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens für eine fremdgezündete, luftverdichtende Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft ein Verbrennungsverfahren und die Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens für eine fremdgezündete, luftverdichtende Brennkraftmaschine mit direkter Einspritzung des Kraftstoffes zu seinem Hauptteil auf die Wand des im Kolben vorgesehenen, rotätionskörperförmigen Brennraumes, bei der der einströmenden Luft eine solche Drehbewegung erteilt wird, daß hierdurch der Kraftstoff in Dampfform von der Brennraumwand allmählich abgelöst und mit der Luft vermischt wird, die Einspritzdüse im Zylinderkopf in der Nähe des Brennraumrandes liegt und die Zündvorrichtung in oberer Totpunktstellung des Kolbens in den Brennraum eintaucht.

Durch die DT-PS 1 576 020 ist bereits eine solche, nach dem Verfahren der Kraftstoff-Wandauftragung arbeitende Brennkraftmaschine bekannt. Bei ihr ist die Zündvorrichtung der Einspritzdüse diametral gegenüberliegend nahe der Brennraumwand angeordnet und vorzugsweise als einpolige Stabelektrode ausgebildet, die in der oberen Totpunktlage des Kolbens in den Brennraum eintaucht und parallel zur Brennraumwand verläuft, weil diese den anderen Pol bildet. Natürlich ist es auch möglieh, zwei parallel zueinander verlaufende Stabelektroden vorzusehen, von denen jede einen Pol bildet.

Der Kraftstoff wird mit einem oder mehreren Strahlen so an die Brennraumwand gespritzt, daß er sich infolge seiner kine-

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tisohen Energie und der Wirkung der drehenden Luftströmung zu einem dünnen PiIm ausbreitet, der, in Drebrichtung der Luft gesehen, vor der Elektrode oder den Elektroden liegt und im Bereich desselben oder kurz hinter ihnen endet. Durch die Drehbewegung der Luft wird der Kraftstoff in Dampfform von der Brennraumwand abgelöst und mit der Luft zu einem brennbaren Gemisch aufbereitet, von dem ein Teil zwischen die Elektroden gelangt und gezündet wird. Da es praktisoh nicht möglich ist, in allen Lastbereichen des Motors an einer genau festgelegten funkenstrecke immer ein gut zündfähiges Gemisch zu erreichen, ragt die Elektrode bzw. ragen die Elektroden relativ weit in den Brennraum hinein, damit der überspringende Funke sich die Stelle aussuchen kann, wo die günstigste Gemischzusammensetzung herrscht und damit die Ionisationsspannung ihren kleinsten Wert hat.

Ferner wird nach der genannten PS, um mit Sicherheit ein ztindfähiges Gemisch an den Elektroden zu erhalten, noch vorgeschlagen, im Bereich derselben in der Brennraumwand eine Stau kante vorzusehen,durch die eine gewisse Kraftstoffaneaamlung erreicht wird.

Eine solche Brennkraftmaschine, bei der der von der Brennraup»- wand abgelöste und zu einem zündfähigen Gemisch aufbereitete Kraftstoff unmittelbair gezündet wird, bringt gegenüber den bis dahin bekannten Ausführungen den Vorteil, daß in allen Betriebebereichen eine sichere Zündung erfolgt und daß der Zündzeitpunkt den zum Erreichen guter Motorbetriebsdaten erforderlichen Werten entsprechend eingestellt werden kann.

Inzwischen hat sich jedoch gezeigt, daß auch dieser Motor verbesserungsbedürftig ist. So müssen beispieleweise die Elektroden, um bei den für einen guten Verbrennungeablauf erforderlichen Kraftstoffstrahllagen den Kraftstoffilm zu erreichen, mit einer Länge von etwa 50 i» des größten Kolbenbrennraumdurchmessers, also verhältnismäßig tief in den Brennraum hineinragen, wodurch sie schnell abbrennen und damit ihre Funktion nicht mehr erfüllen. Ferner ist bei Kraft-

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stoffstrahllagen, die sich für das Schadstoffemissidnsverhalten als optimal erwiesen haben und bei denen die Filmbildung mehr im unteren Bereich der Kolbenbrennraumwand erfolgt, ohne eine - für ihre Standfestigkeit sehr nachteilige - noch weitere Verlängerung der Elektroden eine bei allen Betriebszuständen sichere Gemischentflarmnung nicht mehr gewährleistet.

Es kommt noch hinzu, daß bei zweipoligen Zündkerzen eine einwandfreie Zündung nur möglich ist, wenn sich die beiden Elektroden in einer radialen oder nahezu radialen Brennraumrichtung einander gegenüberstehen, wodurch eine genaue, Kosten verursachende Kerzenfixierung erforderlich wird. Schließlich hat sich gezeigt, daß bei wassergekühlten Motoren auch in konstruktiver Hinsicht vielfach Schwierigkeiten entstehen, wenn die Zündvorrichtung gegenüber der Einspritzvorrichtung angeordnet wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die aufgezeigten Nachteile zu beseitigen und für eine Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Art mit Wandanlagerung des Kraftstoffes sowohl ein neues Verbrennungsverfahren als auch die zur Durchführung des Verfahrens erforderliche Einrichtung zu schaffen, durch das bzw. durch die ohne großen Verschleiß der Zündeinrichtung und ohne erheblichen konstruktiven Aufwand in allen Betriebsbereichen eine sichere Zündung und optimale Verbrennung des aufbereiteten Gemisches und damit bestmögliche Motordaten erreichbar sind. Es soll also eine verbesserte Ausführung des bekannten Verfahrens erreicht werden.

Nach der Erfindung wird die Aufgabe verfahrensmäßig dadurch gelöst, daß der Kraftstoff mit einem Strahl, von dem sich nach dem Austreten aus der Einspritzdüsenöffnung einzelne kleine Kraftstoffteilohen lösen und unmittelbar mit der Luft

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vermischen, auf die Brennraumwand gespritzt wird, daß die
aus den abgelösten und von den Fliehkräften noch nicht
wieder bis auf die Wand transportierten Kraftstoffteilchen
entstehende geringe Menge brennbaren Gemisches gegen Ende
des Einspritzvorganges nahe der Einspritzdüsenöffnung durch die Zündvorrichtung gezündet wird, die so eingeleitete Verbrennung sich in Richtung der drehenden Luft bis zu dem
auf der Kolbenbrennraumwand befindlichen Kraftstoffilm fortpflanzt und daß sodann die Hauptverbrennung entsprechend
der fortschreitenden Vermischung der im Wandbereich gebildeten Kraftstoifdämpfe mit der im Brennraum kreisenden Luft abläuft.

Die Einrichtung zum Durchführen dieses Verbrennungsverfahrens besteht im wesentlichen darin, daß die Zündvorrichtung derart im Bereich der Einspritzdüse angeordnet ist, daß sie in der oberen Totpunktstellung des Kolbens nahe der Einspritzdüsenöffnung zwischen dem freien, den Brennraum durchdringenden Kraftstoffstrahl und der Brennraumwand in den
Brennraum eintaucht.

Durch die genannten Maßnahmen wird die gestellte Aufgabe bereits voll gelöst. Die Anordnung der Zündvorrichtung im Bereich der Einspritzdüse erleichtert die konstruktive Ausbildung des Zylinderkopfes erheblich, denn dadurch verbleibt
der übrige, in den Zylinder führende Raum"für die Unterbringung der Ventile. Da Schon nach einem sehr kurzen Strahlweg für die Einleitung der Verbrennung ausreichende Kraftstoffmengen vom Strahlrand abgelöst werden, die sich also auch
bei Aufspritzung des Kraftstoffes auf den unteren Teil der
Brennraumwand im Bereich der Brennraumöffnung befinden, können die Elektroden verhältnismäßig kurz ausgebildet sein.
Da sie außerdem auch nicht in dem unmittelbaren Bereich der Hauptverbrennung liegen, ist ihre Wärmebeaufschlagung damit wesentlich geringer, was dem Abbrandverhalten sehr zugute
kommt. Die Anordnung der Zündvorrichtung zwischen dem Kraft-

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stoffstrahl und der Brennraumwand ist sehr begründet, denn die sich ablösenden Kraftstoffteilchen werden so durch die rotierende Luftströmung an die Funkenstrecke der Zündkerze herangeführt. Da durch unmittelbare Vermischung des Kraftstoffes mit der Luft bekanntlich sehr schnell ein brennbares Gemisch entsteht, wird demnach die Zündvorrichtung nahezu während der gesamten Einspritzdauer mit einem zündfähigen Gemisch versorgt. Dadurch kann die in jedem Motorbetriebspunkt gesicherte und gegen Ende der Kraftstoffeinspritzung vollzogene Einleitung der Verbrennung zeitpunktmäßig so gewählt werden, daß sich in entsprechender Anpassung an die Zeitdauer für die Voraufbereitung des Kraftstofffilms ein hinsichtlich der verschiedenen Motorbetriebsdaten jeweils optimaler Verbrennungsablauf ergibt.

Als Zündvorrichtung werden nach der Erfindung in an sich bekannter Weise zwei parallel zueinander verlaufende Stabelektroden verwendet. Allerdings ist es auch möglich, die den einen Pol der Zündvorrichtung bildende Elektrode aus mehreren Teilstäben herzustellen, welche um die den anderen Pol bildende, einteilige Elektrode herum angeordnet sind.

Als Weiterbildung der Erfindung wird vorgesehlagen, den Abstand der Zylinderkopfboden-Durchstoßpunkte von Zündkerzen- und Einspritzdüsenachse etwa 25 bis 30 % des größten Brennraumdurchmessers zu wählen und den Auftreffpunkt des Kraftstoffstrahles auf die Brennraumwand in der oberen Totpunktstellung des Kolbens, wie an sich bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen bereits bekannt, in die untere Hälfte des Brennraumes zu verlegen, was durch die neue Anordnung bzw. das neue Verbrennungsverfahren jederzeit möglich ist.

Schließlich wird nach der Erfindung noch vorgeschlagen, den Brennraum außermittig im Kolbenboden anzuordnen, um die Ausbildung des Zylinderkopfes noch weiter zu vereinfachen.

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Einzelheiten der Erfindung, wie beispielsweise günstige Abmessungen, können den Unteransprüohen und der nachfolgenden Beschreibung eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles entnommen werden. Es zeigen:

Fig. 1. einen Längsschnitt durch den oberen Teil eines in einem Zylinder angeordneten Kolbens und die erfindungsmäßige Einrichtung,

Pig. 2 eine Draufsicht auf den Kolben nach einem Schnitt II-Il in Fig. 1,

Fig. 3 einen Ausschnitt aus Flg. 2, jedoch mit einer anderen Ausbildung der Zündvorrichtung.

In Fig. 1 ist ein nur zum Teil dargestellter Zylinder 1 an seinem oberen Ende mittels einer Dichtung 2 und eines ebenfalls nur angedeuteten Zylinderkopfes 3 dicht abgeschlossen. Im Zylinder 1 ißt ein Kolben 4 verschiebbar gelagert, der in seinem Boden 5 einen unten etwas abgeflachten, ansonsten kugelförmigen, im Beispiel zur Zylindermitte 17 versetzt angeordneten Brennraum 6 aufweist, über einen eingeschnürten Hals 7 und eine Schnaupe 8 für die Einspritzung des Kraftstoffes ist der Brennraum 6 mit dem Zylinderinnenraum 9 verbunden.

Schräg im Zylinderkopf 3 ist eine Einspritzdüse 10 derart angeordnet, daß ihre Einspritzdüsenöffnung Il etwa in der Ebene der Unterkante des Zylinderkopfes 3 und am Rande des Brennraumes 6 liegt. Durch die Einspritzdüsenöffnung 11 wird der Kraftstoff mit einem Strahl 12 so eingespritzt, daß dieser, wenn der Kolben 4 seine obere Totpunktstellung erreicht, auf die untere Hälfte der Brennräumwand 13, vorzugsweise in einem Abstand b von 10 bis 15 % des größten Brennraumdurchmessers D unterhalb desselben auftritt und sich dort zu einem dünnen Film ausbreitet. Der Punkt, an dem der Kraftstoffstrahl 12 auf die Brennraumwand 13 auftrifft, wird mit Strahlauftreffpunkt I6 bezeichnet.

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Im Bereich der Einspritzdüsenöffnung 11 sind, im Zylinderkopf 3 zwei voneinander isoliert angeordnete Elektroden 14, 15 befestigt, welche parallel zueinander verlaufen und mit einer LSnge von c ■ 25 bis 30 # des größten Brennraumdurchmessers D senkrecht in den Brennraum 6 hineinragen, wenn der Kolben 4 seine obere Totpunktstellung erreicht hat.

Aus Fig. 2 ist vor allem die Läge des Kraftstoffstrahles in der zur Fig. 1 senkrechten Ebene zu erkennen. Zwischen dem Kraftstoff strahl 12 und der Wand des Brennraumhalses 7 tauchen die Elektroden 14, 15 in den Brennraum 6 ein. Der Abstand a der Achse der Mittelelektrode 14 von dem Zylinderkopfboden-Durchstoßpunkt der EinspritzdUsenaohse beträgt etwa 25 bis 30 % des größten Brennraumdurchmessers D. In der in Fig. 2 dargestellten, senkrecht zur Brennraumlängsachse χ liegenden Ebene beträgt der Winkel cc zwischen dem von der Einspritzdüsenöffnung 11 ausgehenden Kraftstoffstrahl 12 und der Verbindungsgeraden von der Einspritzdüsenöffnung Il zum Mittelpunkt der Elektrode 14 etwa 2Θ bis 30° und der Zentriwinkel ß zwischen der Einspritzdüsenöffnung Il und dem Strahlauftreffpunkt 16 etwa 150°.

Der in Fig. 3 dargestellte Ausschnitt zeigt bei gleioher Anordnung wie in Fig. 2 lediglich eine andere Ausbildung der Elektroden 14, 15. wahrend die Mittelelektrode 14 unverändert blieb, besteht hler die Masseelektrode 15 aus drei um die Mittelelektrode 14 angeordneten Einzelelektroden 15a, 15b, 15c, wodurch die Zündsicherheit erhöht wird und die Zündkerze mit dem üblichen Einschraubgewinde be* festigt werden kann, da die Notwendigkeit zur Einhaltung einer definierten Winkellage entfällt.

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Claims

f o/kr

Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg ^ ^ M O 2 4 Aktiengesellschaft

Nürnberg, 9. Märsr 1976

Patentansprüche

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Verbrennungsverfahren für eine fremdgezündete, luftverdiehtende Brehnkraftrnaschine mit direkter Einspritzung Öes Kraftstoffes zu seinem Hauptteil auf die Wand des im Kolben vorgesehenen, rotationskörperförmigen Brennraumes, bei der der einströmenden Luft eine solche Drehbewegung erteilt wird, daß hierdurch der Kraftstoff in Dampfform von der Brennraumwand allmählich abgelöst und mit der Luft vermischt wird, die Einspritzdüse im Zylinderkopf in der Nähe des Brennraumrandes liegt und die Zündvorrichtung in oberer Totpunktstellung des Kolbens in den Brennraum eintaucht, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff mit einem Strahl, von dem sich nach dem Austreten aus der Einspritzdüsenöffnung einzelne kleine Kraftstoffteilchen lösen und unmittelbar mit der Luft vermischen, auf die Brennraumwand gespritzt wird, daß die aus den abgelösten und von den Fliehkräften noch nicht wieder bis auf die Wand transportierten Kraftstoffteilchen entstehende geringe Menge brennbaren Gemisches gegen Ende des Einspritzvorganges nahe der Einspritzdüsenöffnung durch die Zündvorrichtung gezündet wird, die so eingeleitete Verbrennung siein Richtung der drehenden Luft bis zu dem auf der Kolbenbrennraumwand befindlichen Kraftstoffilm fortpflanzt und daß sodann die Hauptverbrennung entsprechend der fortschreitenden Vermischung der im Wandbereioh gebildeten Kraftstoffdämpfe mit der im Brennraum kreisenden Luft abläuft.
2. Einrichtung zum Durchführen des Verbrennungsverfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündvorrichtung (14, 15) derart im Bereich der Einspritzdüse (10) angeordnet ist, daß sie in der oberen Totpunktstellung des

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ORIGINAL INSPECTiO

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Kolbens (4) nahe der Einspritzdüsenöffnung (11) zwisohen dem freien, den Brennraum (6) durchdringenden Kraftstoffstrahl (12) und der Brennraumwand (7, 13) in den Brennraum (7) eintaucht.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündvorrichtung wie an sich bekannt aus zwei parallel zueinander verlaufenden Stabelektroden (14, 15) besteht.
4· Einrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den einen Pol der Zündvorrichtung bildende Stabelektrode (15) aus mehreren, um die den anderen Pol bildende Stabelektrode (14) angeordneten Teilelektroden (15a, 15b, 15c) besteht.
5· Einrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der in oberer Totpunktstellung des Kolbens (4) in den Brennraum (6) hineinragenden Zündvorrichtung (14, 15) 25 bis 30 # des größten Brennraumdurchmesaers (D) beträgt.
6. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Zylinderkopf-Durchstoßpunkte der Achsen der Zündvorrichtung (14) und der Einspritzdüse (10) 25 bis 30 % des größten Brennrauadurchmessers (D) beträgt.
7. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Auftreffpunkt (16) des Kraftstoffstrahle * (12) auf die Brennraumwand (13) wie an sich bekannt in der unteren Hälfte des Brennrauaes (6) liegt.
8. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum (6) in an sich bekannter Weise als ein einen abgeflachten Boden und einen eingeschnürten Hals (7) aufweisender Kugelbrennraum ausgebildet ist.

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9. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Auftreffpunkt (16) des Kraftstoffstrahle s (12) auf die Brennraumwand (13) in einem Abstand (b) von 10 bis 15 i» des größten Brennraumdurchmessers (D) vs/iterhalb desselben liegt, und daß - in einer senkrecht zur Brennraumlängsachse (x) liegenden Ebene gesehen - der Zentriwinkel (/3) zwischen der Einspritzdüsenöffnung» (11) und dem Strahlauftreffpunkt (16) 145 bis 160° beträgt.
10. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß - in einer senkrecht zur Brennraumlängsachse (x) liagenden Ebene gesehen - der von der Einspritzdüsenöffnung (11) ausgehende Kraftstoffstrahl (12) und die Verbindungsgerade (a) von der Einepritzdüsenöffnung (11) zum Zentrum der Mittelelektrode (14-) in einem Winkel (&) von 20 bis 30° zueinander verlaufen«
11. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum (6) außermittig im Brennraumboden (5) angeordnet ist.

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