DE1451634C

DE1451634C - Air-compressing internal combustion piston machine

Info

Publication number: DE1451634C
Authority: DE
Inventors: Odilo 7012 Fellbach Schwaiger
Original assignee: Daimler Benz AG, 7000 Stuttgart Unter turkheim
Publication date: 1971-01-28

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine luftverdichtende Einspritzbrennkraftkolbenmaschine mit einer Aufteilung des Brennraumes in oberer Totpunktlage des Kolbens in einen zentralen, scheibenförmigen Kolbenbrennraum und in eine im Zylinderkopf vorgesehene, scheibenförmige Wirbelkammer, die mit dem Kolbenbrennraum durch einen in die Wirbelkammer tangential einmündenden Überströmkanal verbunden ist, und Einspritzung des Kraftstoffs in Drehrichtung des um eine senkrecht zur Zylinderachse kreisenden Luft- ίο wirbeis.The invention relates to an air-compressing injection internal combustion piston engine with a partition of the combustion chamber in the top dead center position of the piston into a central, disc-shaped piston combustion chamber and in a disk-shaped swirl chamber provided in the cylinder head, which is connected to the piston combustion chamber is connected by an overflow channel opening tangentially into the swirl chamber, and injection of the fuel in the direction of rotation of the air ίο rotating perpendicular to the cylinder axis wirbeis.

Bei Vor- oder Wirbelkammermaschinen der vorerwähnten Art ist es bekannt, den im Kolben angeordneten Brennraum in zwei nebeneinanderliegende, scheibenförmige Einzelbrennräume aufzuteilen, die mit einer herzförmig ausgebildeten, mittig liegenden Mündung in den in die Vorkammer führenden, in sich abgekrümmten Überströmkanal übergehen, der tangential in den Grund der Vorkammer mündet. Die Vorkammer ist scheibenförmig gestaltet und stehend angeordnet, wobei in der Zylinderdraufsicht betrachtet ihre große Achse (Durchmesser) mit der zwischen den beiden Brennräumen im Kolben hindurchlaufenden Zylindersymmetrieebene zusammenfällt. Die Kraftstoffdüse ist in der Vorkammer so angeordnet, daß der Kraftstoff in Drehrichtung des Luftwirbels eingespritzt wird.In front or vortex chamber machines of the aforementioned type, it is known that arranged in the piston To divide the combustion chamber into two adjacent, disc-shaped individual combustion chambers, the with a heart-shaped, centrally located mouth into the in pass over the curved overflow channel, which opens tangentially into the bottom of the antechamber. the Antechamber is disc-shaped and arranged upright, viewed in the top view of the cylinder its major axis (diameter) with that running through between the two combustion chambers in the piston Cylindrical plane of symmetry coincides. The fuel nozzle is arranged in the prechamber so that that the fuel is injected in the direction of rotation of the air vortex.

Bei einer anderen Ausführungsform einer Vorkammerdieselmaschine (deutsche Patentschrift 966 330) mündet der zwischen der scheibenförmigen Vorkammer und dem Kolbenbrennraum verlaufende Überströmkanal in den letzteren über mehrere Drosselbohrungen, die am kolbenseitigen Ende des in den Kolbenbrennraum hineinragenden Überströmkanalgehäuses über den Umfang verteilt angeordnet sind.In another embodiment of a pre-chamber diesel engine (German patent specification 966 330) the overflow duct running between the disk-shaped prechamber and the piston combustion chamber opens in the latter via several throttle bores, which are located at the piston-side end of the in the Piston combustion chamber protruding overflow channel housing are arranged distributed over the circumference.

Bei den vorerwähnten Ausführungen tritt der Nachteil auf, daß in dem im Kolben liegenden Brennraum jeweils kein zentrisch zur Zylinderachse ausgerichteter Potentialwirbel der ausbrennenden Gase während des Arbeitstaktes, d. h. beim Heruntergehen des KoI-bens erreicht wird. Das erwähnte Auftreten eines zentrisch zur Zylinderachse ausgerichteten Potentialwirbels der ausbrennenden Gase wird insbesondere bei solchen Brennkraftkolbenmaschinen praktiziert, bei denen im obersten Totpunkt des Kolbens praktisch der gesamte Brennraum in einer rotationskörperförmigen Mulde im Kolbenboden angeordnet ist. Der in Rede stehende Potentialwirbel schafft bekanntlich besonders günstige Voraussetzungen zur Fortsetzung der Verbrennung durch Ausnutzung seiner separierenden Wirkung, die verantwortlich ist für die intensive Vermischung bzw. Oxydation zwischen den aus der Vorkammer unvermeidlich mitausgestoßenen Rußbestandteilen und der noch unverbrauchten, schwereren Luft, die beide durch Zentrifugalwirkung nach außen gelangen, wo sich dann relativ günstige Bedingungen für Nachverbrennungen lokalisieren. Dagegen entsteht bei der bekannten Ausführung mit zwei Teilbrennräumen im Kolben, die je einen Potentialwirbel erzeugen, die sich beim Abwärtsgehen des Kolbens gegenseitig stören, eine ungeordnete Verwirbelung im Zylinderraum, die einen schlechten Ausbrenngrad nach sich ziehen. Außerdem erfolgt das Einschießen der heißen Brenngase in die beiden Einzelbrennräume mit den Wirkungsgrad verschlechternden Umlenkstößen. Ferner tritt bei der Ausführung nach der deutschen Patentschrift 966 330 aus erklärlichen Gründen überhaupt kein die Verbrennung günstig beeinflussender Potentialwirbel im Kolbenbrennraum auf, und außerdem ergeben die Drosselbohrungen in beiden Richtungen erhebliche Strömungswiderstände, die allgemein den Wirkungsgrad verschlechtern.In the case of the aforementioned designs, the disadvantage arises that in the combustion chamber located in the piston in each case no potential vortex of the burned-out gases aligned centrically to the cylinder axis during of the work cycle, d. H. when going down the KoI-ben is reached. The mentioned occurrence of one The potential vortex of the burned-out gases, which is aligned centrally with respect to the cylinder axis, is particularly evident in such internal combustion piston machines practiced in which in the top dead center of the piston is practical the entire combustion chamber is arranged in a trough in the shape of a rotational body in the piston crown. the The potential vortex in question is known to create particularly favorable conditions for continuation the combustion by exploiting its separating effect, which is responsible for the intense Mixing or oxidation between the inevitably expelled from the antechamber Soot components and the still unused, heavier air, both through centrifugal action reach the outside, where relatively favorable conditions for afterburning are then localized. In contrast, the known design with two partial combustion chambers in the piston, each with a potential vortex generate, which interfere with each other when the piston goes down, a disorderly turbulence in the cylinder space, which result in a poor degree of burnout. In addition, this is done Shooting the hot combustion gases into the two individual combustion chambers, with a deterioration in efficiency Deflection joints. Furthermore occurs in the execution according to the German patent specification 966 330 from explanatory There is no potential vortex in the piston combustion chamber that has a beneficial effect on combustion and the throttle bores result in considerable flow resistance in both directions, which generally worsen the efficiency.

Nach der britischen Patentschrift 499 778 ist es weiter bekannt, bei einer Vorkammerdieselmaschine einen Teil des gesammten Verbrennungsraumes im Kolben in Form einer flachen und verhältnismäßig kleinen Scheibe vorzusehen, während der andere Teil des Verbrennungsraumes im Zylinderkopf als Kugelbrennraum angeordnet ist, wobei beide Brennräume durch einen überströmkanal miteinander verbunden sind, der tangential in den Kolbenbrennraum mündet. Dieser bekannten Anordnung haftet der Nachteil an, daß kugelförmige Verbrennungsräume leistungsverzehrende Geschwindigkeitspole mit schlechten verbrennungstechnischen Bereichen aufweisen. Außerdem erlaubt diese bekannte Anordnung, um räumliche Schwierigkeiten innerhalb des Zylinderkopfes zu vermeiden, nur verhältnismäßig kleine Teilverbrennungsräume. According to British patent specification 499 778, it is also known in a pre-chamber diesel engine part of the entire combustion chamber in the piston in the form of a flat and proportionate To provide a small disc, while the other part of the combustion chamber in the cylinder head as a spherical combustion chamber is arranged, the two combustion chambers being connected to one another by an overflow channel which opens tangentially into the piston combustion chamber. This known arrangement has the disadvantage that spherical combustion chambers power-consuming speed poles with poor combustion technology Areas. In addition, this known arrangement allows to avoid spatial difficulties within the cylinder head avoid only relatively small partial combustion chambers.

Ferner ist nach der britischen Patentschrift 717 579 \ eine Vorkammerdieselmaschine mit zwei im Zylinderkopf liegenden scheibenförmigen Teilverbrennungsräumen bekannt, wobei der kolbennahe Verbrennungsraum koaxial zur Zylinderlängsachse und der andere Verbrennungsraum um 90° geschwenkt senkrecht zur Zylinderlängsachse angeordnet ist und beide Verbrennungsräume durch einen Überströmkanal verbunden sind, der jeweils tangential in die beiden Verbrennungsräume mündet. Die Nachteile, die bei dieser bekannten Ausführung in Kauf genommen werden müssen sind die, daß während des Verdichtungshubes das für die Vorkammer bestimmte Luftvolumen durch den anderen, ebenfalls im Zylinderkopf liegenden Brennraum geschoben werden muß, was Strömungsverluste durch Verwirbelungen und damit verminderte Leistung mit sich bringt; das gleiche gilt während des Arbeitstaktes bezüglich der aus der Vorkammer in den anderen Brennraum einschießenden Brenngase.Furthermore, according to British patent specification 717 579 \, a pre-chamber diesel engine with two disc-shaped partial combustion chambers located in the cylinder head is known, the combustion chamber near the piston being arranged coaxially to the longitudinal axis of the cylinder and the other combustion chamber pivoted by 90 ° perpendicular to the longitudinal axis of the cylinder and both combustion chambers being connected by an overflow channel which each opens tangentially into the two combustion chambers. The disadvantages that have to be accepted with this known design are that during the compression stroke the volume of air intended for the prechamber has to be pushed through the other combustion chamber, which is also located in the cylinder head, which results in flow losses due to turbulence and thus reduced performance ; the same applies during the work cycle with regard to the combustion gases shooting out of the antechamber into the other combustion chamber.

Schließlich ist es nach der britischen Patentschrift 879 081 bekannt, in dem im Kolben vorgesehenen Verbrennungsraum einer Vorkammerdieselmaschine ausgangs der Mündung des Überströmkanals radial verlaufende Führungsrinnen für die einschießenden Brenngase vorzusehen, die nur bis in Höhe des Bodens des Kolbenbrennraumes geführt sind.Finally, it is known from British patent specification 879 081, in the one provided in the piston Combustion chamber of an antechamber diesel engine radially at the exit of the mouth of the overflow duct Provide running guide troughs for the incoming fuel gases, which are only up to the level of the floor of the piston combustion chamber are performed.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bei den bekannten Ausführungen auftretenden Nachteile zu vermeiden und dabei eine räumlich günstige Anordnung für die beiden Brennräume zu schaffen, die den in der Vor- bzw. Wirbelkammer eingeleiteten Verbrennungsprozeß gasdynamisch und verbrennungstechnisch mit einfachen Mitteln in vorteilhafter Weise fördern und die Vorgänge in der Wirbelkammer und im Kolbenbrennraum in günstige Wechselwirkungen zueinander bringen, d. h. eine Ausführung vorzuschlagen, welche die Vorteile der Vor- bzw. Wirbelkammer, deren Arbeitsweise der Gleichdruckverbrennung am nächsten kommt, und die Vorteile, die ein zentrisch im Kolben liegender Brennraum mit Potentialwirbeleffekt zentrisch um die Zylinderlängsachse aufweist, in sich vereinigt, ohne die Nachteile eines Einlaßdrallkanals bei Brennkraftdieselmaschinen mit direkter Einspritzung in Kauf nehmen zu müssen.The invention is based on the problem of the disadvantages occurring in the known designs to avoid and to create a spatially favorable arrangement for the two combustion chambers, the the combustion process initiated in the antechamber or vortex chamber in terms of gas dynamics and combustion technology promote with simple means in an advantageous manner and the processes in the vortex chamber and bring them into favorable interactions with one another in the piston combustion chamber, d. H. an execution to propose the advantages of the prechamber or vortex chamber, its mode of operation of the constant pressure combustion comes closest, and the advantages of having a combustion chamber located centrally in the piston Has potential vortex effect centered around the longitudinal axis of the cylinder, combined without the disadvantages an intake swirl channel in internal combustion diesel engines with direct injection to take into account have to.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß die Symmetrieebene der Wirbelkammer einen spitzen Winkel mit der den Wirbelkammermittelpunkt enthaltenden Symmetrieebene des Kolbens bildet und der Überströmkanal tangential in den Kolbenbrennraum einmündet.The object is achieved according to the invention in that the plane of symmetry of the vortex chamber an acute angle with the plane of symmetry of the piston containing the swirl chamber center point forms and the overflow channel opens tangentially into the piston combustion chamber.

In Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, an der Mündung des Uberströmkanals zum Kolbenbrennraum im Boden desselben eine zur Führung der einschießenden Brenngase bestimmte Rinne oder Mulde vorzusehen, die der Krümmung der Kolbenbrennraumwand folgend über ein Bogenstück von etwa 90° allmählich in das Niveau des Kolbenbrennraumbodens ausläuft.In an embodiment of the invention, it is proposed to be at the mouth of the overflow channel to the piston combustion chamber in the bottom of the same a channel or intended for guiding the incinerating gases To provide a recess that follows the curvature of the piston combustion chamber wall over an arc of gradually runs out at about 90 ° into the level of the piston combustion chamber floor.

Günstige Wechselwirkungen zwischen Kolbenbrennkammer und Wirbelkammer werden dann erzielt, wenn der Kolbenbrennraum und die Wirbelkammer etwa gleichen Rauminhalt aufweisen.Favorable interactions between the piston combustion chamber and the swirl chamber are then achieved when the piston combustion chamber and the swirl chamber have approximately the same volume.

Durch die Maßnahmen gemäß der Erfindung werden bei räumlich gedrängter Bauweise des Zylinderkopfes gleichzeitig optimale thermische und verbrennungs- sowie strömungstechnische Bedingungen bezüglich der Wechselwirkung zwischen Wirbelkammer und Kolbenbrennraum erreicht. Während der Kompression, also beim Aufwärtshub des Kolbens wird die verdrängte Verbrennungsluft ohne Umlenkung, d. h. stoßfrei und durch den kurz bemessenen Überströmkanal tangential ausgerichtet in die im Durchmesser maximal ausgelegte, scheibenförmige Wirbelkammer eingetrieben; desgleichen wird auch das aus der Wirbelkammer mit hoher Geschwindigkeit schießende Brenngas ohne Umlenkung, d. h. wiederum stoßfrei tangential in den ebenfalls im Durchmesser maximal bemessenen, zentrisch angeordneten, scheibenförmigen Kolbenbrennraum eingeführt, aus dem dann das rotierende Brenngas zum Zwecke seines Ausbrandes beim Abwärtshub des Kolbens unter Beibehaltung des Potentialwirbels zentrisch in den Zylinderraum ausströmt.Due to the measures according to the invention, with a spatially compact design of the cylinder head at the same time optimal thermal, combustion and fluidic conditions with regard to the interaction between the swirl chamber and the piston combustion chamber. During compression, so on the upward stroke of the piston, the displaced combustion air is d. H. bump-free and aligned tangentially in the diameter due to the short overflow channel maximum designed, disc-shaped vortex chamber driven in; the same will turn out to be the same fuel gas shooting the swirl chamber at high speed without deflection, d. H. in turn seamlessly tangential in the centrally arranged, disk-shaped ones, also with a maximum diameter Piston combustion chamber introduced, from which then the rotating fuel gas for the purpose of his Burnout on the downward stroke of the piston while maintaining the potential vortex centrally in the cylinder chamber emanates.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigtAn exemplary embodiment of the invention is shown in the drawing. It shows

F i g. 1 eine Draufsicht auf den Kolbenboden und einen Teil des Zylinderkopfes im Schnitt,F i g. 1 is a plan view of the piston head and part of the cylinder head in section,

F i g. 2 eine weitere Ausführungsvariante mit einem im Durchmesser extrem großen Brennraum im KoI-ben und einer Führungsrinne ausgangs des Uberströmkanals undF i g. 2 a further embodiment variant with a combustion chamber in the piston that is extremely large in diameter and a guide channel at the exit of the overflow channel and

F i g. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III der Fig. 1.F i g. 3 shows a section along the line III-III of Fig. 1.

Im Zylinderkopf 11 ist das Gehäuse 12 einer Wirbelkammer 12' eingesetzt, die scheibenförmig ausgebildet ist und deren Symmetrieebene 13 derart schräg zu der durch die Wirbelkammer 12' gehenden Symmetrieebene 14 des Kolbens 15 gerichtet ist, daß der Überströmkanal 16, der zu der Symmetrieebene 13 der Wirbelkammer 12' gleichgerichtet verläuft, in den im Kolben 15 zentral liegenden, flachen und scheibenförmigen Brennraum 17 tangential einmündet.In the cylinder head 11, the housing 12 of a swirl chamber 12 'is inserted, which is disk-shaped and whose plane of symmetry 13 is so inclined to the plane of symmetry passing through the vortex chamber 12 ' 14 of the piston 15 is directed that the overflow channel 16, which to the plane of symmetry 13 the vortex chamber 12 'runs in the same direction, in the in the piston 15 centrally located, flat and disk-shaped combustion chamber 17 opens tangentially.

Ausgangs der Mündung des Überströmkanals 16 in den Kolbenbrennraum 17 ist, wie die F i g. 2 zeigt, im Boden des letzteren eine zur besonderen Führung der einschießenden Brenngase bestimmte Rinne oder Mulde 18 vorgesehen, die der Krümmung der Brennraumwand folgend über ein Bogenstück von etwa 90° allmählich in das allgemeine Niveau des Bodens des Kolbenbrennraumes 17 ausläuft.The exit of the mouth of the overflow channel 16 into the piston combustion chamber 17 is, as shown in FIG. 2 shows in the bottom of the latter a channel or intended for the special guidance of the injecting fuel gases Trough 18 is provided which follows the curvature of the combustion chamber wall over an arcuate section of approximately 90 ° gradually expires in the general level of the bottom of the piston combustion chamber 17.

Beim Verdichtungshub verdrängt der aufwärtsgehende Kolben 15 die Luft durch den Überströmkanal 16 tangential in die Wirbelkammer 12', wo ein Potentialwirbel 19 entsteht, in den der Kraftstoff über eine Düse 20 in Drehrichtung der Verbrennungsluft eingespritzt wird. Nach Zündung des Kraftstoffluftgemisches schießen die Brenngase 21 durch den Überströmkanal 16 tangential in den Kolbenbrennraum 17 ein, wo sich ebenfalls ein Potentialwirbel ausbildet, der sich während des Arbeitsaktes beim Abwärtshub des Kolbens 15 in den Zylinderraum fortsetzt.During the compression stroke, the upwardly moving piston 15 displaces the air through the overflow duct 16 tangentially into the swirl chamber 12 ', where a potential vortex 19 arises, into which the fuel flows a nozzle 20 is injected in the direction of rotation of the combustion air. After ignition of the fuel-air mixture the combustion gases 21 shoot through the overflow channel 16 tangentially into the piston combustion chamber 17 one, where a potential vortex is also formed, which occurs during the work act on the downward stroke of the piston 15 continues into the cylinder space.

Claims

Patent claims:

1. Air-compressing internal combustion piston engine with a division of the combustion chamber in the top dead center position of the piston in a central, disc-shaped piston combustion chamber and into a disk-shaped swirl chamber provided in the cylinder head, which communicates with the piston combustion chamber is connected by an overflow channel opening tangentially into the swirl chamber, and Injection of the fuel in the direction of rotation of the orbiting perpendicular to the cylinder axis Air vortex, characterized in that the plane of symmetry (13) of the vortex chamber (12 ') forms an acute angle with the plane of symmetry containing the center of the vortex chamber (14) of the piston (15) and the overflow channel (16) tangentially into the piston combustion chamber (17) joins.

2. Air-compressing internal combustion piston engine according to claim 1, characterized in that that at the mouth of the overflow channel (16) to the piston combustion chamber (17) in the bottom of the same a channel or trough (18) intended for guiding the enclosing fuel gases is provided is that following the curvature of the piston combustion chamber wall over an arc of about 90 ° gradually runs out to the level of the piston combustion chamber floor.

3. Air-compressing internal combustion piston engine according to claim 1 or 2, characterized in that that the piston combustion chamber (17) and the swirl chamber (12 ') have approximately the same volume exhibit.

1 sheet of drawings