<Desc/Clms Page number 1>
Die Erfindung betrifft eine luftverdichtende, direkt einspritzende ventilgesteuerte Brennkraftmaschine, insbesondere mit einem sehr hohen Verdichtungsverhältnis, mit einem Einlasskanal zur Erzeugung einer Rotation der einströmenden Luft um die Zylinderachse und einem im Kolben liegenden, am Ende des Verdichtungshubes nahezu die gesamte Verbrennungsluft aufnehmenden, rotationskörperförmigen Brennraum, der unterhalb des Kolbenbodens eine ihm in einen oberen und einen unteren Teil begrenzende Einschnürung aufweist, sowie einer mit ihren Ausmündungen annähernd auf der Brennraumachse angeordneten Einspritzdüse, deren Kraftstoffstrahlen gegen die Wand des Kolben-Brennraumes gerichtet sind,
wobei die geometrischen Durchstosspunkte der Achsen der Einspritzbohrungen der Einspritzdüse während der gesamten Einspritzdauer unterhalb des engsten Querschnittes der Einschnürung des Brennraumes liegen.
Aus der CH-PS Nr. 211350 ist eine Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Art bekannt, bei der der oberhalb der Einschnürung liegende Teil der Brennraummulde durch einen Kegel mit sehr geringer Neigung gebildet wird. Dieser flache Verlauf soll die Radialeinströmungsgeschwindigkeit der Luft in die Brennraummulde bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens verkleinern, um die durch das Einlassschirmventil erzeugte Rotation der Luftströmung nicht zu stören. Die langsame und stetige Erweiterung des oberen Teiles der Brennraummulde zum Kolbenrand hin bewirkt bei dieser bekannten Ausführung eine nahezu stetige Verzögerung der Einströmung der Luft mit dem Nachteil geringer Turbulenz.
Dadurch kommt ein relativ rasches, teilweises"Einfrieren", d. h. eine vorzeitige Unterbrechung der Verbrennung beim Überströmen des brennenden Gemisches vom unteren Teil der Brennraummulde in den oberen Teil bei der Abwärtsbewegung des Kolbens zustande. Versuche haben gezeigt, dass diese bekannte Brennkraftmaschine mit relativ hohen Verbrennungsrussmengen und mit hohen Anteilen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Abgas reagiert. Diese Nachteile, deren Vermeidung vor allem dann verstärkt auftritt, wenn das Verdichtungsverhältnis der Maschine aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und um günstige Emissionswerte zu erreichen hoch gesteigert werden soll, sowie bei Motoren, die mit hohen Drehzahlen und teilweise relativ spätem Einspritzbeginn betrieben werden sollen.
Die bekannte, aus der Zeit vor 1940 stammende und daher noch relativ langsam laufende Brennkraftmaschine weist eine Einschnürung des Brennraumes des Kolbens auf, dessen kleinster Durchmesser etwa 60% des maximalen Brennraumdurchmessers beträgt. Diese starke Einschnürung und die dadurch verursachte Leistungsverminderung infolge von Drossel- bzw. Überschiebeverlusten ist vor allem bei neuzeitlichen, hochdrehenden Motoren der beschriebenen Art von grossem Nachteil, da die genannten Drosselverluste mit dem Quadrat der Drehzahl ansteigen.
Weiters wurde durch die DE-OS 2234561 eine Brennkraftmaschine bekannt, deren Kolben eine Ausdrehung mit einem Neigungswinkel von weniger als l'aufweist, welche gleichzeitig eine Übergangszone vom Brennraum zum Kolbenboden darstellt. Diese dient allerdings im wesentlichen dazu, die bei thermischer Belastung des Kolbens am inneren Teil grössere Ausdehnung zu kompensieren, um ein Anstossen des Kolbens am Zylinderdeckel zu verhindern. Allerdings ist es bei einer solchen Brennkraftmaschine nur dann möglich, relativ geringe Abgaswerte zu erreichen, wenn sie als aufgeladener Motor mit Ladeluftkühlung und mit einer relativ geringen Verdichtung von 16, 4 : 1 betrieben wird. Aber selbst unter diesen Bedingungen ist es mit einer solchen Brennkraftmaschine nicht möglich, die zu erwartenden sehr strengen Abgasgrenzwerte einzuhalten.
Ausserdem wurde durch die GB-PS Nr. 883,381 bereits vorgeschlagen, den Brennraum des Kolbens mit einer zylindrischen Ansenkung zu versehen, so dass unterhalb des Kolbenbodens eine den eigentlichen Brennraum begrenzende umlaufende scharfe Kante entsteht, auf welche der Strahl der Einspritzdüse gerichtet ist. Damit soll ein kurzer Zündverzug erreicht werden, da die durch die Senkung entstehende scharfe Kante eine entsprechend hohe Temperatur annimmt und so die Zündung erleichtert. Die Ansenkung bzw. zylindrische Ausdehnung, deren Boden parallel zum Kolbenboden verläuft, soll ausserdem verhindern, dass vom Kraftstoffstrahl absplitternde Kraftstoffteilchen auf den Kolbenboden ausserhalb des Brennraumes gelangen. Es hat sich allerdings gezeigt, dass insbesondere bei hohen Drehzahlen von z.
B. über 3600 Umdr/min, bei einem solchen bekannten Motor die Luftausnutzung relativ gering ist, wodurch auch die Russemission ansteigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für direkt einspritzende Dieselmotoren mit Zylindern kleinerer Abmessungen eine Lösung anzugeben, die in einem sehr weiten Drehzahlbereich
<Desc/Clms Page number 2>
eine ausgezeichnete Gemischaufbereitung und einen günstigen Verbrennungsablauf ermöglicht, so dass sich vor allem auch bei hohen Drehzahlen und einem hohen Verdichtungsverhältnis der Maschi- ne niedrige Werte der Abgasemission, insbesondere der Emission an unverbrannten Kohlenwasser- stoffen und Russ, sowie des Kraftstoffverbrauches ergeben.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Durchmesser des engsten, den oberen Teil vom unteren Teil des Kolben-Brennraumes trennenden Querschnittes des Brennraumes
75 bis 90% seines maximalen Durchmessers beträgt und dass der zwischen der Ebene des engsten Querschnittes und der Kolbenbodenebene liegende obere Teil des Brennraumes ein Volumen von etwa 10 bis 30% des Gesamtvolumens des Kolben-Brennraumes aufweist, wobei der Flankenwinkel der Einschnürung, bestimmt von den Tangenten an den Umriss des unteren Muldenteiles durch den geometrischen Schnittkreis des oberen und unteren Teiles des die Brennraummulde bildenden Rotationskörpers einerseits, und den Erzeugenden des durch den Schnittkreis der beiden Rotationskörper-Teile und den Schnittkreis des oberen Teiles des Rotationskörpers mit dem Kolbenboden gelegten Kegels anderseits,
zwischen 70 und 120 liegt.
Die Vorteile der erfindungsgemässen Ausbildung liegen in der ohne grossen Aufwand erzielbaren intensiven Turbulenz durch die Überlagerung der rotierenden horizontalen Strömung der angesaugten Luft mit der annähernd rechtwinkelig dazu auftretenden Strömung durch das Überschieben der Luft in die Brennraummulde, wobei durch die Einschnürung bzw. deren Lage eine turbulenzfördernde Geschwindigkeitserhöhung und eine besonders günstige Ausbildung der Überschiebeströmung erreicht wird. Daraus resultiert eine rasch ablaufende, ausgezeichnete Gemischaufbereitung und in weiterer Folge ein wesentlich günstigerer Verbrennungsablauf.
Wegen der hohen Eintrittsgeschwindigkeit der Luft in den oberen Teil der Brennraummulde und infolge der plötzlichen Erweiterung unterhalb des engsten Querschnittes wird eine stark turbulente Schicht über dem engsten Querschnitt gebildet, die eine schnelle und vollständige Nachverbrennung des aus der Mulde ausströmenden Gemisches nach der Zündung unterstützt und das vorzeitige"Einfrie- ren" der Verbrennung durch Abkühlung im engen Kolbenspalt vermeidet. Die genannten Vorteile der Erfindung kommen in besonderem Masse bei relativ spätem Einspritzbeginn - der aus Gründen der Reduzierung der Stickoxyde angewendet werden muss-bei sehr hohem Verdichtungsverhältnis, z. B. grösser als 19 : 1, und bei sehr schnell laufenden Motoren zum Tragen.
Die Verbrennung zeichnet sich dadurch aus, dass, selbst bei ungewöhnlich hohem Verdichtungsverhältnis nur eine relativ kleine Russmenge im Abgas entsteht. Die gegenüber der bekannten Ausführung verhältnismässig geringe Einschnürung gemäss der Erfindung wirkt sich vor allem bei den verlangten hohen Drehzahlen moderner Direkteinspritzmotoren günstig auf den Kraftstoffverbrauch aus.
Durch die erfindungsgemässe Ausgestaltung des Brennraumes ist es auch möglich, die äusserst strengen für 1983 in den USA vorgesehenen Abgaswerte, u. zw. die beim FTP-Test (Federal Test Procedure) vorgesehenen Grenzwerte auch mit Saugmotoren und aufgeladenen Motoren ohne Ladeluftkühlung einzuhalten bzw. zu unterschreiten. Ausserdem gelingt es durch die Brennraumform die Luftausnutzung, verglichen mit herkömmlichen Brennraumformen wesentlich zu steigern und den Leistungsverlust zu kompensieren.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kanten der Einschnürung im Bereich des geometrischen Schnittkreises der beiden Rotationskörper-Teile und/oder des Schnittkreises in der Kolbenbodenebene abgerundet sind. Die Abrundung der besonders exponierten und thermisch stark belasteten Kanten ermöglicht eine gute thermische Widerstandsfähigkeit dieses Brennraumteiles ohne Einbusse der angestrebten Turbulenz.
Gemäss der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass im Bereich des Schnittkreises der beiden Rotationskörper-Teile eine schmale Zylinderfläche angeordnet ist, wodurch ebenfalls eine hohe thermische Widerstandsfähigkeit und günstige Strömungsführung, bei gleichzeitig leichterer Herstellungsmöglichkeit der Brennraummulde ermöglicht ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Boden der Brennraummulde in an sich bekannter Weise einen in der Achse der Brennraummulde liegenden Kegel aufweist, dessen Spitze dem Kolbenboden zugewendet ist und dass der Kegelwinkel gleich oder kleiner ist als der Kegelwinkel des durch die Achsen der Einspritzdüsenbohrungen legbaren Kegels, wobei die Höhe des Kegels der Brennraummulde höchstens etwa 75% der Brennraummuldentiefe be-
<Desc/Clms Page number 3>
trägt. Dadurch wird zusätzlich zu den genannten Vorteilen der Erfindung eine Umlenkung der Strömung und damit verbunden, eine verbesserte Durchmischung von Luft und Kraftstoff erreicht, woraus ein weiter verbesserter Verbrennungsablauf resultiert.
Diese Wirkung kann durch sorgfältige Abstimmung des Kegels der Brennraummulde hinsichtlich seines Kegelwinkels und seiner Höhe mit dem Kegel, den die Einspritzstrahlen bilden, optimiert werden.
Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch Kolben und Zylinder mit dem Kolben im oberen Totpunkt ; Fig. 2 den gleichen Schnitt mit dem Kolben in der Stellung bei Einspritzbeginn vor dem oberen Totpunkt bzw. in der Abwärtsbewegung nach dem oberen Totpunkt ; Fig. 3 eine Draufsicht auf den Kolben mit der Brennraummulde ; Fig. 4 einen Teil der Brennraummulde im Querschnitt und Fig. 5 ebenfalls ein Detail der Brennraummulde in einer weiteren Ausbildungsform in vergrössertem Massstab.
Der im Zylinder --17-- der Brennkraftmaschine axial bewegliche Kolben --16-- weist eine Brennraummulde-l-auf, die durch eine Einschnürung --4-- in einen oberen Teil-l'-und einen unteren Teil --1"-- geteilt ist. Beide Teile der Brennraummulde sind Rotationskörper, wobei der untere Muldenteil aus einem Torus und der obere aus einem Kegel gebildet ist und die Achsen beider Rotationskörper zusammenfallen. Es sind jedoch auch andere Rotationskörperformen möglich, beispielsweise sowohl für den unteren als auch für den oberen Muldenteil ellipsoidoder torusförmige Rotationskörper (Fig. 5) oder am Übergang des unteren Muldenteiles in die Einschnürung ebenfalls ein Kegel.
Der obere Muldenteil weist ein Volumen von 10 bis 30% des Gesamtvolumens der Brennraummulde auf, der Abstand --10-- des kleinsten Durchmessers --5-- vom Kolbenboden --3-- kann 10 bis 30% der maximalen Brennraumtiefe --11-- betragen. Der kleinste Durchmesser --5-- beträgt etwa 75 bis 90% des maximalen Durchmessers --22-- der Brennraummulde --1--. Der maximale Muldendurchmesser-22-kann im Bereich zwischen 45 und 65% des Kolbendurchmessers liegen und die Muldentiefe --11-- kann 10 bis 25% des Kolbenhubes der Brennkraftmaschine betragen.
In Fig. 1 ist die Einschnürung --4-- durch den Schnitt des Kegels --25-- mit dem Umriss --24'-- des unteren torusförmigen Muldenteiles --1"-- gebildet. Durch den Schnitt des oberen Rotationskörpers mit dem unteren ist ein Schnittkreis --4'-- definiert, der im Falle der Ausführung nach Fig. 1 auch den engsten Querschnitt der Einschnürung angibt. Die Kanten der Ein- schnürung --4-- im Bereich des Schnittkreises --4'-- und im Bereich des Schnittkreises des Kegels --25-- mit dem Kolbenboden --3-- können abgerundet ausgeführt sein.
Bei der in Fig. 4 dargestellten Variante ist im Bereich des Schnittkreises --4'-- eine schmale zylindrische Fläche --15-- angeordnet. In diesem Fall ist der engste Querschnitt der Einschnürung nicht identisch mit dem Schnittkreis --4'-- der beiden Rotationskörper-Teile.
Wie Fig. 5 zeigt, sind auch andere Formen der Ausbildung der Einschnürung möglich. So kann der obere Rotationskörper ein Teil eines Torus sein, wobei durch entsprechende Wahl des Torusausschnittes eine konkave Flanke der Einschnürung - in Fig. 5 strichliert angedeutet - oder eine konvexe Flanke entsteht. Die Angabe des Flankenwinkels-21-der Einschnürung-4- erfolgt hier zweckmässigerweise einerseits durch die Tangente --24-- an den Umriss --24'-- des unteren Muldenteiles durch den Schnittkreis --4'-- und anderseits durch die Erzeugenden --25-des Kegels, der durch den Schnittkreis --4'-- der beiden Rotationskörper-Teile und den Schnitt- kreis --3" -- in der Kolbenbodenebene --3-- definiert ist.
Dieser Flankenwinkel --21-- kann zwischen 70 und 1200 ausgeführt sein.
Der Boden der Brennraummulde-l-ist mit einer kegelförmigen Erhebung --9-- versehen, deren Spitze zum Kolbenboden --3-- hinweist und auf der Achse --14-- der Brennraummulde --1-- liegt. Der Winkel --26-- des Kegels --9-- ist zweckmässigerweise gleich oder kleiner als der Kegelwinkel --27-- des durch die Achsen --23-- der Einspritzdüsenbohrungen legbaren Kegels und die Höhe des Kegels --9-- der Brennraummulde --1-- kann bis zu etwa 75% der Tiefe --11-der Braunnraummulde --1-- betragen.
Die Einspritzdüse --12-- ist mit ihrer Spitze auf der Achse --14-- der Brennraummul-
EMI3.1
<Desc/Clms Page number 4>
geometrischen Durchstosspunkte --6-- durch die Wand der Brennraummulde während der gesamten Einspritzdauer unterhalb des kleinsten Durchmessers --5-- der Einschnürung --4--. In Fig. 3 sind die aus konstruktiven Gründen etwas aus der Zylinderachse --13-- gerückte Brennraummul- de --1--, die Verteilung der Achsen der Kraftstoffstrahlen --23-- und deren Durchstosspunkte --6-- dargestellt.
Der Ablauf des Gemischbildungsvorganges mit Hilfe der erfindungsgemässen Brennraumformausbildung ist folgender : Die angesaugte Luft wird von einem entsprechend hiefür ausgebildeten Einlasskanal in Rotation gemäss Pfeil 18 (in Fig. 3) versetzt, die sich während des Verdichtungsvorganges erhält. Beim Annähern des Kolbens --16-- an den oberen Totpunkt, dargestellt in Fig. 2, linke Hälfte der Darstellung, wird die im Zylinderraum --2-- rotierende Luft über die Einschnürung --4-- in die Brennraummulde-l-unter starkem Anstieg der Geschwindigkeit in vertikaler Richtung, wie durch Pfeil 19 angedeutet, verdrängt.
In diesem Zustand intensiver Turbulenz wird der Kraftstoff in mindestens 3 Strahlen --23-- unterhalb des kleinsten Durchmessers --5-- der Einschnürung --4-- gegen die Wand der Brennraummulde --1-- gespritzt, wobei er in kurzer Zeit sehr fein und gleichmässig auf die Luft verteilt wird. Die beschriebene Ausbildung der Ein- schnürung --4-- sowie des Muldenbodens, gegebenenfalls in Form eines Kegels --9--, unterstützen den Gemischbildungsvorgang, so dass es nach nur kurzem Zündverzug in weiterer Folge zu einem hinsichtlich Leistung, Verbrauch und Abgasqualität günstigem Verbrennungsablauf kommt. Da die Einspritzung bei schadstoffarmen, kleinen Fahrzeugmotoren nur wenige Kurbelwellengrade vor dem oberen Totpunkt beginnt, taucht die Einspritzdüse sehr tief in die Brennraummulde-l-ein.
Nahezu der gesamte eingespritzte Kraftstoff gelangt daher direkt mit der Einspritzung in den unteren Teil --1"-- der Brennraummulde --1--. Nach der Zündung dringt das brennende Gemisch in den oberen Teil-l'-der Brennraummulde-l--angedeutet durch Pfeil 20 in Fig. 2 vor - und vermischt sich dort mit der stark turbulenten Schicht relativ reiner Verbrennungsluft, wodurch ein schnelles und vollständiges Ausbrennen der Ladung erreicht wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Luftverdichtende, direkt einspritzende ventilgesteuerte Brennkraftmaschine, insbesondere mit einem sehr hohen Verdichtungsverhältnis, mit einem Einlasskanal zur Erzeugung einer Rotation der einströmenden Luft um die Zylinderachse und einem im Kolben liegenden, am Ende des Verdichtungshubes nahezu die gesamte Verbrennungsluft aufnehmenden, rotationskörperförmigen Brennraum, der unterhalb des Kolbenbodens eine in einen oberen und einen unteren Teil begrenzende Einschnürung aufweist, sowie einer mit ihren Ausmündungen annähernd auf der Brennraumachse angeordneten Einspritzdüse, deren Kraftstoffstrahlen gegen die Wand des Kolben-Brennraumes gerichtet sind,
wobei die geometrischen Durchstosspunkte der Achsen der Einspritzbohrungen der Einspritzdüse während der gesamten Einspritzdauer unterhalb des engsten Querschnittes der Einschnürung des Brennraumes liegen, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (5) des engsten,
EMI4.1
ten (24) an den Umriss (24') des unteren Muldenteiles (1") durch den geometrischen Schnittkreis (4') des oberen und unteren Teiles des die Brennraummulde bildenden Rotationskörpers einerseits, und den Erzeugenden (25) des durch den Schnittkreis (4') der beiden Rotationskörper-Teile und den Schnittkreis (3') des oberen Teiles des Rotationskörpers mit dem Kolbenboden (3) gelegten Kegels anderseits, zwischen 70 und 1200 liegt.