DE1526308C3 - Air-compressing injection internal combustion piston engine - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine luftverdichtende Einspritz-Brennkraft-Kolbenmaschine mit einem in seiner Grundform zylindrischen Kolbenbrennraum, dessen Länge und Durchmesser in einem Verhältnis von ungefähr 1:1 stehen, der ungedrosselt in einen Zylinderraum mündet sowie zur Zylinderachse der Brennkraftmaschine geneigt ist, und in dem die Verbrennungsluft zum Einspritzzeitpunkt rotiert, und mit einem Brennstoffeinspritzventil, durch das Brennstoff stark zerstäubt in einigem Abstand parallel oder etwa parallel zur Brennraumwandung im Bereich der längsten Mantellinie eingespritzt wird.The invention relates to an air-compressing injection internal combustion piston engine with a In its basic form a cylindrical piston combustion chamber, its length and diameter in one Ratio of approximately 1: 1, which opens unthrottled into a cylinder chamber and to the cylinder axis the internal combustion engine is inclined, and in which the combustion air rotates at the time of injection, and with a fuel injector through which fuel is strongly atomized at some distance in parallel or is injected approximately parallel to the combustion chamber wall in the area of the longest surface line.
Brennkraftmaschinen dieser Art sind durch die französische Patentschrift 1414 354 bekannt. Sie weisen infolge der aufeinander abgestimmten Wechselwirkung zwischen den Brennstoffstrahlen und der im Brennraum kreisenden Luft eine ruhige Verbrennung und gute Ausnutzung des Brennstoffes auf. Dies kann darauf zurückgeführt werden, daß sich durch die Einspritzung des Brennstoffes mittels eines nahezu wandparallelen Strahls mit guter Zerstäubung im Zusammenwirken mit der Luftströmung im Brennraum in der Randzone desselben ein reaktionsträger Gemischring bildet, dessen Brennstoffkonzentration zur Mitte des Brennraumes hin bis zur Bildung eines zündfähigen Gemisches abnimmt.Internal combustion engines of this type are known from French patent specification 1,414,354. You wise due to the coordinated interaction between the fuel jets and the im Circulating air in the combustion chamber ensures smooth combustion and good fuel utilization. This can can be attributed to the fact that the injection of the fuel by means of an almost wall-parallel Jet with good atomization in interaction with the air flow in the combustion chamber in the edge zone of the same forms a reactive mixture ring whose fuel concentration for In the middle of the combustion chamber up to the formation of an ignitable mixture.
In der Praxis hat die Verwendung eines einzigen annähernd wandparallelen Einspritzstrahls aus folgendem Grunde nicht ganz befriedigt. Bei hoher Leistung muß eine große Menge Brennstoff innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne eingebracht werden. Das kann durch Druckerhöhung vor der Einspritzdüse oder Vergrößerung des Einspritzloches der Einspritzdüse erreicht werden. Beide Maßnahmen erhöhen die Durchschlagskraft des Brennstoffstrahls mit der Folge, daß entweder die Luftgeschwindigkeit quer zum Einspritzstrahl sehr hoch gewählt werden muß, d. h. die Rotation der Verbrennungsluft im Brennraum verstärkt wird, oder die Höhe des Brennraumes vergrößert werden muß. Mit höher Luftgeschwindigkeit im Brennraum zu arbeiten, ist in mehrfacher Hinsicht unerwünscht. Einmal ist die Erzeugung eines stärkeren Wirbels um die Zylinderachse beim Ansaugen mit höheren Einströmverlusten verbunden, wodurch die Füllung des Zylinders und auch die erreichbare Leistung beeinträchtigt werden. Zum anderen * ergeben höhere Luftgeschwindigkeiten im Brennraum * einen stärkeren Wärmeübergang an die Brennraumwand im Kolben und an den Zylinderkopfboden, was zu einer unzulässigen Überhitzung dieser Teile führt. Die Vergrößerung der Brennraumhöhe führt bei einem verbrennungsgünstigen Durchmesser-Höhenverhältnis des Brennraumes von 1:1 zu ungünstigen Brennraumgrößen, die zudem die Gestaltung des Kolbenserschweren. Ferner dringt der Brennstoff tief in den Brennraum ein, so daß der Bereich des Brennraumes in der Nähe der Brennstoffstrahlwurzel bei der Gemischaufbereitung nicht erfaßt und genutzt wird.In practice, the use of a single injection jet that is approximately parallel to the wall has not been entirely satisfactory for the following reason. At high power, a large amount of fuel must be introduced in a very short period of time. This can be achieved by increasing the pressure in front of the injection nozzle or enlarging the injection hole of the injection nozzle. Both measures increase the penetrating power of the fuel jet with the result that either the air velocity transversely to the injection jet must be selected very high, ie the rotation of the combustion air in the combustion chamber is increased, or the height of the combustion chamber must be increased. Working with a higher air speed in the combustion chamber is undesirable in several ways. On the one hand, the generation of a stronger vortex around the cylinder axis during intake is associated with higher inflow losses, whereby the filling of the cylinder and also the achievable performance are impaired. On the other hand, * higher air velocities in the combustion chamber * result in greater heat transfer to the combustion chamber wall in the piston and to the cylinder head base, which leads to impermissible overheating of these parts. With a combustion chamber diameter-height ratio of 1: 1, the increase in the height of the combustion chamber leads to unfavorable combustion chamber sizes, which also make the design of the piston more difficult. Furthermore, the fuel penetrates deep into the combustion chamber, so that the area of the combustion chamber in the vicinity of the fuel jet root is not detected and used during the mixture preparation.
Schließlich bereitet die Anordnung einer Zündhilfe Schwierigkeiten, da die Zündhilfe normalerweise relativ weit in den Brennraum hineinragen muß, um ein zündfähiges Gemisch zu erreichen. Das setzt die Standzeiten der Zündhilfen erheblich herab und stört zudem die Luftbewegung, die zur Gemischaufbereitung erforderlich ist. Außerdem wird die Zündung durch die hohe Luftbewegung in der Randzone erschwert. *Finally, the arrangement of an ignition aid causes difficulties, since the ignition aid is normally relatively must protrude far into the combustion chamber in order to achieve an ignitable mixture. That sets the The service life of the ignition aids is significantly reduced and it also disrupts the movement of air that is responsible for preparing the mixture is required. In addition, ignition is made more difficult by the high air movement in the edge zone. *
Es ist ferner durch die USA.-Patentschrift 3 094 974 eine Einspritz-Brennkraft-Kolbenmaschine mit Fremdzündung bekannt, bei der der Brennstoff auf einer Sehne in einen becherförmigen Brennraum eingespritzt wird. Der Funkenspalt einer Zündkerze ist von der Einspritzvorrichtung so weit entfernt, daß der Brennstoff bei der Einspritzung bis zum Erreichen des Funkenspaltes ein zündfähiges Gemisch bildet, während der Funkenspalt andererseits so nahe an der Einspritzeinrichtung liegt, daß die Ansammlung einer wesentlichen Menge eines brennbaren Gemisches vor der Zündung im Verbrennungsraum verhindert wird. Die Lage der Zündhilfe ist bei diesem Verfahren im wesentlichen abhängig von der Strahllage sowie von den Faktoren, die den Ort und die Zeit der Bildung eines zündfähigen Gemisches beeinflussen. Solche Einflußgrößen sind beispielsweise die Art des Brennstoffes, die Drehzahl, die Temperatur der Verbrennungsluft, der Einspritzdruck, die Einspritzmenge usw.It is also, through U.S. Patent 3,094,974, an injection piston engine Known with spark ignition, in which the fuel on a chord in a cup-shaped combustion chamber is injected. The spark gap of a spark plug is so far removed from the injector that the fuel forms an ignitable mixture during injection until it reaches the spark gap, while the spark gap, on the other hand, is so close to the injector that the accumulation of a substantial amount of a combustible mixture is prevented from being ignited in the combustion chamber. In this method, the position of the ignition aid is essentially dependent on the beam position and on the factors that influence the place and time of formation of an ignitable mixture. Such Influencing variables are, for example, the type of fuel, the speed, the temperature of the combustion air, the injection pressure, the injection quantity, etc.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Brennkraftmaschinen der eingangs beschriebenen Art die Zündwilligkeit und die Gemischaufbereitung insbesondere bei größeren Einspritzmengen zu verbes-The invention is based on the object in internal combustion engines of the type described above to improve ignitability and mixture preparation, especially with larger injection quantities
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mehrere, im wesentlichen wandparallele und gleichgerichtete Brennstoffstrahlen vorgesehen sind, die so kleine Winkel zwischeneinander einschließen, daß sie im Querstrom der kreisenden Luft einen gemeinsamen Tröpfchenschleier bilden, und daß eine Zündhilfe mit ihrer Zündstelle so wenig aus dem Zylinderkopf herausragt und sowohl in Spritzrichtung als auch in Richtung der Luftbewegung im Bereich der Brennraumöffnung kurz hinter der Düse des Einspritzventils liegend so nahe an die Brennstoffstrahlen heranreicht, daß einerseits eine Entzündung gewährleistet ist und andererseits die Ausbildung des Luftwirbels nicht gestört wird.This object is achieved according to the invention in that several, essentially wall-parallel and rectified fuel jets are provided, which include such small angles between one another, that they form a common veil of droplets in the cross-flow of the circulating air, and that one Ignition aid with its ignition point protrudes so little from the cylinder head and both in the direction of injection also in the direction of the air movement in the area of the combustion chamber opening just behind the nozzle of the injection valve when lying so close to the fuel jets that, on the one hand, ignition is guaranteed and on the other hand the formation of the air vortex is not disturbed.
Durch die erfindungsgemäße Verwendung von zwei oder mehr im wesentlichen gleichgerichteten und wandparallelen Strahlen von gleichem oder ungleichem Querschnitt ergeben sich relativ kleine Spritzlochdurchmesser, die eine bessere Zerstäubung mit verringerter Durchschlagskraft für jeden Strahl zur Folge haben, zumal die Einspritzung in der Zone mit den höchsten Luftgeschwindigkeiten erfolgt. Die einzelnen Einspritzstrahlen bilden daher in dem Querstrom der rotierenden Verbrennungsluft einen rasch verdampfenden gemeinsamen Tröpfchenschleier, der von der rotierenden Luft über den Brennraumumfang verteilt wird.The inventive use of two or more substantially rectified and wall-parallel jets of the same or unequal cross-section result in relatively small spray hole diameters, which results in better atomization with reduced penetration for each jet Result, especially since the injection takes place in the zone with the highest air velocities. The single ones Injection jets therefore form a rapidly in the cross-flow of the rotating combustion air evaporating common veil of droplets created by the rotating air over the circumference of the combustion chamber is distributed.
Im Vergleich zu einem Strahl werden mehrere gleichgerichtete Strahlen von der Verbrennungsluft besser erfaßt und schon kurz nach dem Austreten aus der Einspritzdüse stark aufgelöst und in die Bewegungsrichtung der kreisenden Luft umgelenkt. Dabei werden auch die der Einspritzdüse nahegelegenen Bereiche des Brennraumes besser genutzt. Besonders die infolge der geneigten Stellung des Brennraumes den Einspritzstrahlen entgegengerichtete Bewegungskomponente der rotierenden Verbrennungsluft wirkt sich stärker auf die gefächerten Einspritzstrahlen aus und bringt den aufbereiteten Brennstoff näher an die Einspritzdüse heran. Dies hat zur Folge, daß sich nahe der Strahlwurzel ein zündfähiges Gemisch befindet, das nur aus feinsten Brennstofftröpfchen gebildet wird, die dem Einfluß der Luftbewegung stärker unterliegen als die größeren Tropfen.Compared to a jet, the combustion air produces several rectified jets better recorded and already strongly resolved shortly after exiting the injection nozzle and in the direction of movement deflected by the circulating air. The ones closest to the injector are also included Areas of the combustion chamber better used. Especially because of the inclined position of the combustion chamber Movement components of the rotating combustion air directed in the opposite direction to the injection jets has a stronger effect on the fanned injection jets and brings the processed fuel closer to the injector. As a result, an ignitable mixture forms near the ray root is located, which is formed only from the finest fuel droplets, which the influence of air movement stronger are subject to than the larger drops.
Trotz mehrerer Einspritzstrahlen werden nicht mehrere getrennte Bereiche mit einem zündfähigen Gemisch im Brennraum gebildet, da durch die enge Lage der Strahlen die Brennstoffkonzentration zwischen den Brennstoffstrahlen ziemlich gleichmäßig ist und über dem Bereich des zündfähigen Gemisches liegt.Despite several injection jets, there are not several separate areas with an ignitable one Mixture formed in the combustion chamber, as the fuel concentration between the fuel jets is fairly uniform and over the range of the ignitable mixture lies.
Dabei wird das durch einen stromaufwärts liegenden Brenstoffstrahl im Luftwirbel gebildete Gemisch durch den Brennstoff des stromabwärts liegenden Brennstoffstrahls angereichert. Es entsteht somit im Bereich der Brennstoffeinspritzung eine Zone mit gleichmäßig hoher Brennstoffkonzentration, die in Bewegungsrichtung der strömenden Luft und zur Brennraummitte hin abnimmt.The mixture formed by an upstream jet of fuel in the air vortex is thereby formed enriched by the fuel of the downstream fuel jet. It thus arises in the The area of the fuel injection is a zone with a consistently high fuel concentration, which in Direction of movement of the flowing air and decreases towards the middle of the combustion chamber.
Die erfindungsgemäße Lage der Zündhilfe zeichnet sich dadurch aus, daß durch die unmittelbare Nähe der Einspritzvorrichtung der Einfluß, den die Gemischbildungsfaktoren auf das Heranführen eines zündfähigen Gemisches an die Zündhilfe haben,-für alle Betriebsbedingungen nicht sehr unterschiedlich ist, so daß komplizierte Regeleinrichtungen einfacher gestaltet werden können oder ganz entfallen. Ferner ragt die Zündhilfe nur geringfügig in den Brennraum, wodurch infolge guter Kühlung lange Standzeiten erreicht werden. Außerdem wird die Luftströmungi die für den Verbrennungsablauf erforderlich ist, nicht gestört. Schließlich wird die Zündhilfe durch die gefächerten Brennstoffstrahlen, die im Bereich der Strahlwurzel noch relativ geschlossen sind, gegenüber der rotierenden Verbrennungsluft abgeschirmt. Bei geringerer Luftbewegung sind jedoch auch GemischeThe inventive location of the ignition aid is characterized by the fact that it is in the immediate vicinity the injection device, the influence that the mixture formation factors on the approach of a have an ignitable mixture on the ignition aid, -not very different for all operating conditions is, so that complicated control devices can be made simpler or can be omitted entirely. Further the ignition aid protrudes only slightly into the combustion chamber, long service lives are achieved thanks to good cooling. In addition, the air flow is the is necessary for the combustion process is not disturbed. Finally, the ignition aid is fanned out by the Fuel jets, which are still relatively closed in the area of the jet root, compared to the rotating combustion air shielded. With less air movement, however, there are also mixtures
ίο mit höherer Brennstoffkonzentration entzündbar, so daß große Betriebsbereiche erfaßt sind. Hinzu kommt, daß die Nähe des Kolbenspaltes eine Versorgung mit Verbrennungsluft von allen Seiten ermöglicht.ίο flammable with a higher fuel concentration, see above that large operating areas are covered. In addition, the proximity of the piston gap provides a supply of Combustion air possible from all sides.
In Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß wenigstens zwei Brennstoffstrahlen unterschiedliche radiale Richtungskomponenten haben. Durch diese Maßnahme ist es möglich, das unterschiedliche radiale Geschwindigkeitsfeld der kreisenden Verbrennungsluft zur Bildung eines optimalenIn an embodiment of the invention it is proposed that at least two different fuel jets have radial directional components. This measure makes it possible to achieve the different radial velocity field of the circulating combustion air for the formation of an optimal
so Gemischringes heranzuziehen.so to use the mixture ring.
Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine haben sich Zündkerzen als Zündhilfen besonders gut bewährt.In connection with the internal combustion engine according to the invention, spark plugs have proven to be Ignition aids have proven particularly effective.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.An exemplary embodiment of the invention is shown in the drawing.
A b b. 1 zeigt einen Teilschnitt durch einen Kolben und einen zugehörigen Zylinderkopf einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,A b b. 1 shows a partial section through a piston and an associated cylinder head of an inventive Internal combustion engine,
A b b. 2 den Kolben im Schnitt nach der Linie U-II in Abb. 1.A b b. 2 the piston in section along the line U-II in Fig. 1.
In den Abbildungen sind ein im Kolben 1 angeordneter zylindrischer Brennraum mit 2, ein Brennstoffeinspritzventil mit 3, der Zylinderkopf mit 4 und eine Zündhilfe in Gestalt einer Glühkerze mit 5 bezeichnet. Während des Ansaughubes tritt die Verbrennungsluft so in den Brennraum 2 ein, daß sie zum Einspritzzeitpunkt in diesem eine durch einen Pfeil angedeutete kreisende Bewegung ausführt. Der Brennraum 2 selbst liegt geneigt zur Zylinderachse x-x dergestalt, daß seine Längsachse y-y unter einem spitzen Winkel α geneigt zur Zylinderlängsachse verläuft. Der Brennstoff wird stark zerstäubt in zwei Strahlen 6 und 7 in einigem Abstand parallel oder etwa parallel zur Brennraumwand 8 im Bereich der längsten Mantellinie 9 eingespritzt, so daß eine Vermischung des Brennstoffes unmittelbar mit der kreisenden Verbrennungsluft gewährleistet wird. Die geneigte Stellung des Brennraumes 2 in Verbindung mit der mehrstrahligen Einspritzvorrichtung des Brennstoffes bildet eine sichere Gewähr dafür, daß der eingespritzte Brennstoff möglichst restlos der Aufbereitung in der quer anströmenden Luft unterworfen wird. Die beiden Brennstoffstrahlen 6 und 7 liegen sehr eng benachbart so, daß der Brennstoffstrahl 6 von einer durch die Düsenmündung gelegten Parallelen zur Brennraumachse y-y sowohl zur Brennraumwand hin als auch, wie A b b. 2 gut erkennen läßt entgegen der Richtung der kreisenden Luft etwas abweicht, Strahl 7 dagegen von dieser Parallelen etwas zur Brennraummitte hin und, siehe wiederum A b b. 2, in· Richtung der kreisenden Luft. Auf diese Weise ist einmal dafür gesorgt, daß der Brennstoff der kreisenden Verbrennungsluft eine breitere Front darbietet und wirkungsvoller aufbereitet wird, als wenn die beiden Brennstoffstrahlen 6 und 7 lediglich genau in Richtung der kreisenden Luft von der besagten Parallelen abwichen. In the figures, a cylindrical combustion chamber arranged in the piston 1 is denoted by 2, a fuel injection valve by 3, the cylinder head by 4 and an ignition aid in the form of a glow plug by 5. During the intake stroke, the combustion air enters the combustion chamber 2 in such a way that at the time of injection it executes a circular movement therein indicated by an arrow. The combustion chamber 2 itself is inclined to the cylinder axis xx in such a way that its longitudinal axis yy is inclined at an acute angle α to the cylinder longitudinal axis. The fuel is strongly atomized in two jets 6 and 7 at some distance parallel or approximately parallel to the combustion chamber wall 8 in the region of the longest surface line 9, so that the fuel is mixed directly with the circulating combustion air. The inclined position of the combustion chamber 2 in connection with the multi-jet fuel injection device provides a reliable guarantee that the injected fuel is subjected to processing in the transversely flowing air as completely as possible. The two fuel jets 6 and 7 are very closely spaced so that the fuel jet 6 moves from a parallel to the combustion chamber axis yy through the nozzle opening both to the combustion chamber wall and, as in A b b. 2 clearly differs from the direction of the circulating air, whereas ray 7 differs slightly from this parallel towards the center of the combustion chamber and, see again A b b. 2, in the direction of the circulating air. In this way it is ensured that the fuel of the circulating combustion air presents a broader front and is processed more effectively than if the two fuel jets 6 and 7 only deviated from the said parallels precisely in the direction of the circulating air.
Die Glühkerze 5 ragt, wie Abb. 1 erkennen läßt.The glow plug 5 protrudes, as Fig. 1 shows.
mit ihrer Zündstelle so wenig aus dem Zylinderkopf 4 heraus und reicht in Spritzrichtung als auch in Richtung der Luftbewegung im Bereich der Brennraumöffnung kurz hinter der Düse des Einspritzventils 3 liegend so nahe an die Brennstoffstrahlen 6 und 7 heran, daß einerseits eine Entzündung der aufbereiteten Strahlmantel an der Glühkerze mit Sicherheit gewährleistet ist und außerdem die Ausbildung der drehenden Luftsäule im Brennraum nicht gestört wird. Innerhalb des Zylinderkopfes 1 ist die Glühkerze 5 mit einem die Ableitung von Wärme zum Zylinderkopf hin stark mindernden Mantel 10 umgeben.with their ignition point so little out of the cylinder head 4 and extends in the direction of injection as well as in the direction the air movement in the area of the combustion chamber opening just behind the nozzle of the injection valve 3 lying so close to the fuel jets 6 and 7 that on the one hand an ignition of the processed Beam jacket on the glow plug is guaranteed with security and also the formation of the rotating Air column in the combustion chamber is not disturbed. The glow plug 5 is located inside the cylinder head 1 surrounded by a jacket 10 which greatly reduces the dissipation of heat to the cylinder head.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
| E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
| 8320 | Willingness to grant licences declared (paragraph 23) | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |