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Luftverdichtende, selbstzündende Einspritzbrennkraftmaschine mit einem
im Kolben angeordneten Brennraum Die Erfindung bezieht sich auf eine luftverdichtende,
selbstzündende Einspritzbrennkraftmaschine mit einem im Kolben angeordneten rotationskörperförmigen
und an seiner Öffnung eingeschnürten Brennraum, der im Bereich seiner Öffnung eine
taschenartige Ausbuchtung aufweist, und mit einer Einspritzdüse, die den Kraftstoff
entweder durch die eingeschnürte Öffnung des Brennraumes oder durch die taschenartige
Ausbuchtung hindurch gegen die Brennraumwand spritzt, wo der Kraftstoff als dünner
Film aufgetragen und durch eine primär zugeordnete Luftdrehung, die beispielsweise
durch ein Schirmventil oder einen Drallkanal erzeugt werden kann, in Dampfform allmählich
abgelöst, mit der Luft vermischt und danach verbrannt wird.
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Zweck der Erfindung ist es, den Brennraum für nach dem vorstehenden
Verfahren arbeitende Brennkraftmaschinen so auszubilden, daß durch selbständige
Anpassung der Gemischbildung an die jeweiligen Betriebsbedingungen besondere Kaltstarthilfseinrichtungen
oder entsprechende Regelmaßnahmen von außen her überflüssig werden.
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Bei den vorstehend erwähnten, bekannten Brennkraftmaschinen wird eine
Verbesserung des Kaltstartes dadurch erreicht, daß beim Anfahren der kalten Maschine,
wo die Verdampfung des Kraftstoffes auf der Brennraumwand noch nicht genügend bzw.
nicht genügend rasch erfolgen kann, ein größerer Anteil des Kraftstoffes unmittelbar
in die Verbrennungsluft eingespritzt wird, um die Selbstzündung zu beschleunigen.
Die Mittel hierzu sind entweder eine Veränderung der Strahllage der Düse durch Drehen
derselben oder Veränderung der Drehrichtung der primären Luftdrehung durch Verstellung
beispielsweise eines Schirmventils. Diese Maßnahmen erfordern jedoch entweder zusätzliche
konstruktive Ausgestaltungen bereits vorhandener Einrichtungen oder Bereitstellung
zusätzlicher mechanischer Hilfsmittel, die außerdem bei jedem Anlaßvorgang zu bedienen
sind. Dadurch wird aber die Maschine baulich und betrieblich komplizierter und auch
in der Herstellung teurer.
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Die Erfindung geht unter Vermeidung dieser Mängel einen anderen Lösungsweg
zur Verbesserung der Kaltstartbedingungen bei den eingangs genannten Maschinen,
wobei ebenfalls von dem erwähnten bekannten Grundgedanken Gebrauch gemacht wird,
daß man den Kaltstart dadurch verbessern kann, daß in der Anlaßphase der luftverteilte
Anteil des eingespritzten Kraftstoffes erhöht wird. Das Neuartige der Erfindung
beruht jedoch darauf, daß nicht mehr besondere mechanische Hilfsmittel und von außen
her vorzunehmende Regelmaßnahmen zur Erreichung dieses Effektes notwendig sind,
sondern daß dieser Effekt durch zweckmäßige Ausgestaltung des Brennraumes selbst
und der dadurch bedingten besonderen Luftführung im Brennraum erreicht wird. Die
Erfindung stützt sich dabei auf die Erkenntnis, daß beim Anlassen oder Starten der
Maschine infolge der in dieser Betriebsphase niedrigen Drehzahl und damit geringeren
Luftgeschwindigkeit für die primär erzeugte Luftdrehung die Einströmbedingungen
und die Luftdichte im Brennraum andere als im Normalbetrieb sind. Die primär erzeugte
Luftdrehung hat nämlich in der Anlaßphase infolge der in diesem Zeitpunkt geringeren
Luftgeschwindigkeit eine Einströmtendenz, welche in ihrer Drehwirbelbildung um die
Brennraumachse relativ flachgängiger ist, d. h. mit flacherem, zur Drehachse geneigtem
Spiralwirbel vor sich geht als irn Vollast- oder Normalbetrieb, wo die primäre Luftdrehung
bei höherer Luftgeschwindigkeit sich in Form einer sehr steilgängigen Wirbelspirale
um die Brennraumachse ausbildet. Entsprechend diesem unterschiedlichen Verlauf der
primären Luftdrehung in Form von Spiralwirbeln im Brennraum erfolgt jeweils auch
die Ausbreitung des Kraftstoffilmes auf der Brennraumwand unterschiedlich, d. h.,
bei hohen Drehzahlen wird der Kraftstoff ebenfalls in einer steilgängigen Spirale
mehr nach dem Brennraumgrund hingezogen, während bei niedrigeren Drehzahlen der
Kraftstoffilm nahezu in Höhe der gesamten Brennraumwand sich an dieser ausbreitet
bzw. an ihr herumgezogen wird. Eingehende Versuche haben diese Tatsache bestätigt.
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Weitere Versuche haben nun gezeigt, daß es möglich ist, die unterschiedliche
Wirbelbildung der primären
Luftdrehung im Brennraum bei niedriger
bzw. hoher Luftgeschwindigkeit dazu auszunutzen, um beim Kaltstart einen weit größeren
Kraftstoffanteil unmittelbar mit der Luft zu vermischen, als dies im Normalbetrieb
für die Einleitung der Selbstzündung gerade noch zugelassen wird, wenn der Brennraum
so ausgebildet wird, daß dadurch selbsttätig eine die primäre Luftdrehung beeinflussende
Sekundärluftströmung erzeugt wird. Je nach der primären Wirbelbildung bei Kaltstart
oder Vollast wird diese Sekundärluftströmung auf die primäre Luftdrehung verschiedenen
Einfluß haben. .
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Die Erfindung besteht darin, daß bei der eingangs erwähnten Brennkraftmaschine
die im Bereich der Brennraumöffnung angeordnete taschenartige Ausbuchtung die Form
eines gegen den Brennraumboden hin geneigten und etwa radial zur Brennraum-Rotationsachse
verlaufenden Kanals aufweist, wobei die Projektion dieses Kanals auf den Kolbenboden
eine Länge hat, die größer ist als der Radius des Brennraumes, und die Breite des
Kanals am übergang in die Brennraumöffnung mindestens ein Viertel dieses Radius
beträgt, so daß durch die Ausbuchtung am Ende des Verdichtungshubes ein mit seiner
Drehachse zur Rotationsachse der primären Luftdrehung im wesentlichen senkrecht
stehender Sekundärluftwirbel entsteht, der die im Anfahrzustand entsprechend schwächere
primäre Luftdrehung überwindet und dadurch einen Teil der rotierenden Luftmasse
zusammen mit von der Brennraumwand abgehaltenem Kraftstoff aus dem Brennraum heraus
in den darüberliegenden Zylinderraum verdrängt, da-' gegen im Normal- oder Vollastbetrieb
der Maschine die sich dabei im Brennraum ausbildende stärkere primäre Luftdrehung
nur unwesentlich beeinflußt.
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Auf diese Weise ist es, wie Versuche bestätigt haben, möglich, im
Kaltstart einen größeren Kraftstoffanteil ohne besondere Hilfsmittel unmittelbar
in der heißen Verbrennungsluft zu verteilen und dadurch die Zündung beim Kaltstart
zu beschleunigen. Durch mehr oder weniger starkes Zulassen des Sekundärluftwirbels
ist es möglich, den luftverteilten Anteil des Kraftstoffes mehr oder weniger zu
vergrößern. Wird durch entsprechende Maßnahmen am Brennraum der Sekundärluftwirbel
nur insoweit zugelassen, daß das Hochtragen von Kraftstoff über den Brennraumöffnungsrand
hinaus nur im Bereich der Startdrehzahlen auftritt, dann bleibt für den gesamten
übrigen hohen Drehzahlbereich die gewünschte Wandverteilung des Kraftstoffes erhalten
und damit auch der hierdurch bedingte ruhige Lauf der Maschine bei geringem Brennstoffverbrauch
und gleichzeitig hoher Leistung.
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Die Anordnung einer taschenartigen Erweiterung im Bereich eines im
Motorkolben angeordneten Brennraumes ist zwar an sich bekannt. Es wird hier jedoch
nur darauf abgezielt, das angewendete Einspritz- und Gemischbildungsverfahren als
solches, und zwar über den gesamten Betriebsbereich des Motors, zu verbessern. Zu
diesem Zweck ist nach einem älteren, nicht zum Stand der Technik gehörenden Vorschlag
die Erweiterung so ausgebildet, daß die in den Brennraum einströmende Luftmenge
an der Erweiterungsstelle größer ist, als es bei einer kreisförmigen Öffnung des
Brennraumes an dieser Stelle der Fall wäre. Die durch die Erweiterung in den Brennraum
übertretende Luft ist dann auf die mit Kraftstoff benetzten Stellen der Brennraumwand
gerichtet. Auf diese Weise wird dem Kraftstoffilm auf der Brennraumwand eine größere
Frischluftmenge als bisher zugefügt, so daß eine schnellere Verdampfung und Vermischung
des aufgedampften Kraftstoffes mit der Verbrennungsluft erreicht wird.
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Der Einfluß des Sekundärluftwirbels kann nach einem weiteren Merkmal
der Erfindung noch dadurch gesteuert werden, daß der Brennraumboden eine Abflachung
aufweist. Bei einem als Kugel oder Rotationsellipsoid ausgebildeten Brennraum ist
dann der Boden desselben in größerem oder geringerem Abstand brennraumeinwärts vom
Scheitelpunkt der bei diesen Brennraumformen sonst vorhandenen Bodenkrümmung als
ebene Fläche ausgebildet. Durch die genannten Maßnahmen wird infolge früherer oder
späterer Umlenkung des Sekundärwirbels durch diesen die primäre Luftdrehung in ihrem
Gesamtwirbelverlauf mehr oder weniger nach oben gedrückt, so daß also beim Kaltstart
je nach Voreinstellung mittels der angegebenen Maßnahme mehr oder weniger Kraftstoff
aus dem Brennraum heraus verdrängt wird.
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In der Zeichnung ist die Erfindung an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
dargestellt. Hierbei zeigt Fig. 1 eine Einspritzbrennkraftmaschine mit einem im
Kolbenboden angeordneten rotationskörperförmigen Brennraum, Fig. 2 eine Draufsicht
auf den Kolben einer Maschine nach Fig. 1, Fig. 3 die schematische Darstellung der
Erzeugung einer primären Luftdrehung im Zylinder einer Brennkraftmaschine durch
ein Schirmventil, Fig. 4 ein Schema der primären Luftdrehung im Brennraum beim Anfahren
der Maschine für den Fall, daß kein Sekundärwirbel vorgesehen ist, Fig. 5 ein Schema
der primären Luftdrehung im Brennraum bei Vollastbetrieb für den Fall, daß kein
Sekundärwirbel vorgesehen ist, Fig. 6 ein Schema des erfindungsgemäß erzeugten Sekundärluftwirbels
im Brennraum allein, d. h. ohne Berücksichtigung der primären Luftdrehung, Fig.
7 ein Schema des resultierenden Luftwirbels im Brennraum beim Kaltstart, wobei das
Hochdrücken der primären Luftdrehung durch den Sekundärwirbel nebst der dadurch
bedingten Verdrängung von Kraftstoff aus dem Brennraum mit angedeutet ist.
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In Fig. 1 ist 1 der gerade im Bereich seiner oberen Totpunktstellung
befindliche Kolben einer nur durch den inneren Zylindermantel 2 und die Zylinderkopfbegrenzungslinie
3 angedeuteten Brennkraftmaschine, bei welcher der Kraftstoff in bekannter Weise
auf die Brennraumwand aufgespritzt und in Dampfform von der Brennraumwand durch
eine zugeordnete Luftdrehung abgelöst wird. Der im Kolbenboden vorgesehene Brennraum,
welcher rotationskörperförmig und an seiner Öffnung 5 eingeschnürt ist, ist
mit 4
bezeichnet. Der Brennraum 4 weist im Bereich der Brennraumöffnung
5 eine taschenartige Ausbuchtung 6 auf, in die in der gezeigten Stellung
auch die Mündung 7 a der Einspritzdüse 7 eingreift. Von der Düsenmündung 7a aus
werden in bekannter Weise ein Kraftstoffstrahl 8 oder mehrere solche Kraftstoffstrahlen
auf die Brennraumwand 9 so aufgespritzt, daß der Kraftstoff sich auf der Brennraumwand
als dünner Film ausbreitet. Im Zylinderkopf ist ein Schirmventi110 angeordnet, durch
das eine primäre
Luftdrehung im Zylinder erzeugt wird, die in Fig.
2 und 3 durch die gepfeilten Linien 11 angedeutet ist. Diese primäre Luftdrehung
würde sich, wenn nur das Schirmventil 10 allein für ihre Ausbildung verantwortlich
wäre, nach dem Brennraum 4 hin in einem Drehwirbel fortsetzen, dessen Verlauf für
die Anlauf-oder Startphase in Fig. 4 mit 12 und für Normal-oder Vollastbetrieb in
Fig. 5 mit 13 schematisch angedeutet ist.
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Wie aus Fig. 4 zu ersehen, ist beim Anlauf oder Start der Maschine
für den Luftwirbel 12 der Neigungswinkel a, ß der primären Luftdrehung gegenüber
der Rotationsachse A -A groß und der Drehwirbel 12 daher spiralig flachgängig.
Fig. 5 zeigt dagegen die Wirbelbildung im Vollastbetrieb, wo infolge der in dieser
Arbeitsphase hohen Luftgeschwindigkeit der Luftdrehwirbe113 spiralgängig zur Rotationsachse
A-A nach dem Kolbenboden hin verläuft und daher die Einströmwirbel a1, ßl dementsprechend
wesentlich kleiner sind.
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Die taschenartige Ausbuchtung weist im Bereich der Brennraumöffnung
5 die Form eines gegen den Brennraumboden hin geneigten und etwa radial zur Brennraum-Rotationsachse
A-A verlaufenden Kanals 6 auf. Hierbei ist die Projektion dieses Kanals auf den
Kolbenboden von einer Länge, die größer ist als der Radius r des Brennraumes und
die Breite b des Kanals am Übergang in die Brennraumöffnung beträgt mindestens ein
Viertel dieses Radius. Bei Annäherung des Kolbens an seine obere Totpunktlage wird
nun ein Sekundärluftwirbel 14 hervorgerufen, dessen Strömungsverlauf im Brennraum
4 in Fig. 6 schematisch durch den Kurvenzug S angedeutet ist. Wie aus dieser
Figur zu ersehen, steht die Drehachse B des Sekundärluftwirbels 14 senkrecht zur
Rotationsachse A -A der in Fig. 4 und 5 dargestellten primären Luftdrehung
12 und 13. Primäre Luftdrehung und Sekundärluftwirbel treten nun aber im Betrieb,
gleichgültig ob bei Anlauf oder Vollast, jeweils immer gleichzeitig auf und werden
sich daher in jedem Falle überlagern. Durch geeignete Bemessung und Richtungsgebung
der taschenartigen Ausbuchtung 6 wird nun dafür Sorge getragen, daß der Sekundärluftwirbel
14 nur so stark auftreten kann, daß er immer nur den schwächeren primären Luftwirbel
12 in der Anlauf- oder Startphase überwindet und nach oben drückt, wie dies in Fig.
7 mit 12a dargestellt ist. Hierdurch wird zwangläufig auch ein größerer Kraftstoffanteil
von der.Berührung mit der Brennraumwandung abgehalten und in den Zylinderraum 15
oberhalb der Brennraumöffnung5 verdrängt, wie dies in Fig. 7 durch die Punktierung
16 angedeutet ist. Indem andererseits die taschenartige Ausbuchtung 6 so bemessen
ist, daß nur der schwächere und flachgängigere Luftwirbel 12 der Anlaufphase durch
den Sekundärluftwirbel 14 überwunden wird, ergibt sich zwangläufig ohne weitere
Hilfsmittel oder äußeres Eingreifen, daß im Vollastbetrieb der wesentlich stärkere
und steilgängigere Drehwirbel 13 (Fig.5) nicht mehr von dem Sekundärwirbel 14 überwunden
wird, so daß der letztere nur im Brennraum 4 selbst noch zur Auswirkung kommt.
Bei Vollast stellt sich somit die volle Wandverteilung des Kraftstoffes zur bestmöglichen
Durchführung des der Erfindung zugrunde liegenden Einspritz- und Gemischbildungsverfahrens
jeweils von selbst ein. Der Einfluß des Sekundärwirbels 14 kann nach weiteren Merkmalen
der Erfindung noch dadurch gesteuert werden, daß der Abstand h des Brennraumbodens
von der Brennraumöffnung 5 größer oder kleiner gehalten wird. Bei einem als Kugel
oder Rotationsellipsoid ausgebildeten Brennraum, wie er im Beispiel gezeigt ist,
wird vorteilhaft der Brennraumboden in größerem oder geringerem Abstand vom Scheitelpunkt
der sonst vorhandenen Bodenkrümmung als ebene Fläche 17 ausgebildet.
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Durch die Erfindung wird somit der Vorteil erreicht, bei einer Brennkraftmaschine
der eingangs vorausgesetzten Art für Kaltstart- und Vollastbetrieb ohne irgendeinen
äußeren Eingriff jeweils die gerade erwünschte Gemischbildung selbsttätig herbeizuführen,
wobei der Übergang von Kaltstart- auf Volllastbetrieb ebenfalls in selbsttätiger
Anpassung an die jeweils erforderliche Luft- bzw. Wandverteilung des Kraftstoffes
erfolgt.