DE1751189C3 - Vorkammerdieselmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorkammerdieselmasehine, insbesondere als Vielstoffmotor betrieben, mit einer den Hauptbrennraum bildenden Kolbenmulde und einem in die Mulde einmündenden, verhältnismäßig weiten Überströmkanal der im Zylinderkopf in gmßcrem' Abstand von der Zylindermitte schräg zur Zylinderachse angeordneten Vorkammer.

Bei einer solchen bekannten, in der DT-PS 9 52 220 beschriebenen Dieselmaschine ist die verhältnismäßig flache Kolbenmulde durch eine oder mehrere ringsum laufende Wirbel- oder Drosselkanten in mehrere zueinander konzentrische ringförmige Räume unterteilt und der Überströmkanal mündet in die Kolbenmulde schräg nach deren mittleren Bodenbereich hin aus. Infolge der entsprechenden Drosselung der sich vom Mittelbereich der Kolbenmulde her ausbreitenden Flammenfront soll vor allem das sogenannte »Nageln« durch schnelle klopfende Geräusche verhindert werden. Nachteilig bleibt bei solchen und ähnlichen Vorkamrnermaschinen jedoch noch, daß sie keine so geringen Kraftstoffverbräuche wie die Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung aufweisen, bei denen kurz nach dem Verdichtungshub ein großer Wärmeumsatz mit entsprechend großer Leistungsausbeute erzielt wird, und daß sie sich nur schlecht für einen Vielstoffbetrieb ei.gnen, der wegen der erschwerten Selbstzündungsverhältnisse der vom Dieselkraftstoff abweichenden anderen Kraftstoffe besondere Maßnahmen für eine ausreichende Gemischaufbereitung erfordert.

Bei einer ähnlichen bekannten, in der US-PS 29 32 289 beschriebenen Dieselmaschine mündet der nur verhältnismäßig enge Überströmkanal aus einer verhältnismäßig großen Vorkammer zentral in eine etwa kugelförmige Kolbenmulde ein. Wenn durch eine solche Konstruktion auch die Klopfgefahr herabgesetzt wird, so führt sie infolge der Drosselverluste beim Durchströmen des Überströmkanals doch zu einer unbefriedigend niedrigen Leistungsausbeute, wie im übrigen auch durch zwei Aufsätze in der »Motortechnischen Zeitschrift« (»MTZ«) aus den Jahren 1943 (S. 122) und 1956 (S. 158 und 159) belegt ist. Eine ähnliche luftverteilte Nachverbrennung des aus der Vorkammer durch einen verhältnismäßig engen Überströmkanal in den Kolbenbrennraum gelangten Kraftstoffs beschreibt auch die DT-AS 10 31 575. Auch die in der GB-PS 7 83 205 beschriebene Vorkammerdieselmasehine weist eine im Verhältnis zum gesamten Verdichtungsvolumen große Vorkammer mit einem verhältnismäßig engen Überströmungskanal auf, während über die Kraftstoffeinspritzung in die Vorkammer keine näheren Ausführungen gemacht sind. Allenfalls könnte eine auffallend große austrittsseitige kegelförmige Ringschulter der Vorkammer eine dortige Anlagerung von Kraftstoff vermuten lassen. Es verbleibt aber auch hier eine große Überscliiebearbeit durch den Überströmkanal und damit eine entsprechend geringe Leistungsausbeute. Wenn eine weitere, bekannte in der DT-AS 11 02 474 beschriebene Vorkammerdieselmaschine auch eine zentral durch den Überströmkanal bis in den Hauptbrennraum reichende Kraftstoffeinspritzung offenbart, so verbleibt doch auch dort eine verhältnismäßig geringe Leistungsausbeute, die durch Drosselverluste an einer am Überströmkanal vorgesehenen Drosselblende verringert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Dieselmaschine so zu vervollkommnen, daß einerseits die Vorteile der Vorkammer, nämlich ein weicher Verbrennungsablauf durch kurzen Zündverzug und durch im Augenblick der Zündung nur kleine Kraftstoffmengen im Hauptbrennraum mit den Vorteilen eines Direkteinspritzverfahrens, nämlich einer guten Leistungsausbeute mit geringen Kraftstoffverbräuchen verbunden werden und andererseits auch eine besonders gute Eignung für Vielstoffbetrieb erzielt wird.

Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Volumen der Vorkammer nur etwa 10 bis 30 % des Verdichtungsvolumens beträgt, daß der Einlaßkanal als Drallkanal im Sinne der Erzeugung einer um eine zur Zylinderachse parallele Achse kreisenden Lufteinströmung in die Mulde ausgebildet ist und daß der Überströmkanal axial in einem spitzen Winkel mit einer tangentialen Richtungskomponente im Sinne der kreisenden Lufteinströmung gegen die Seitenwand der Mulde gerichtet ist.

Durch eine solche Verkleinerung der Vorkammer trotz Beibehaltung des großen Überströmquerschnitts ergibt sich zwischen Vorkammer und Hauptbrennraum nur ein kleiner Druckunterschied und eine entsprechend kleine Phasenverschiebung der Drücke sowie eine wesentlich kleinere Überschiebearbeit beim Einströmen der Verbrennungsgase in die Kolbenmulde. Die in der Vorkammer durch Auftreffen der äußeren Strahlkegelteile des Kraftstoffstrahls auf die heißen Teile der Vorkammer durch eine dortige Zündung gebildeten heißen Verbrennungsgase enthalten wegen der Verbrennung in der Vorkammer bei Luftmangel nur einen geringen Anteil von Stickoxyden und ergeben durch den kurzen Zündverzug und die Zündung an heißen Stellen

der Vorkammer eine gute Eignung für Vielstoffbetrieb. Die heißen Verbrennungsgase treten zusammen mit unverbranntem fein verteiltem Kraftstoff aus der Vorkammer durch den Überströmkanal in die Kolbenmulde ein, wo durch den dort vorhandenen Luftwirbel 5 der unverbrannte Kraftstoff in gleicher Weise wie bsi einem üblichen Direkteinspritzverfahren entlang der Seitenwand ausgebreitet, wieder abgelöst und vollständig verbrannt wird. Die an sich bekannte Anordnung der Vorkammer weit außerhalb der Zylindermitte bringt schließlich noch den weiteren Vorteil mit sich, daß die Gefahr von Rissen im Zylinderkopf, die bei einer mittigen Anordnung der Vorkammer, wie sie insbesondere bei einer Einspritzung mittels mehrerer Einspritzsirahlen erforderlich ist, besteht, vermieden wird.

Durch die US-PS 29 32 289 und die erstgenannte »MTZ«-Literaturstelle sind bereits Dieselmaschinen mit Vorkammervolumen von nur etwa 20 bis 30 % des Verdichlungsvolumens bekanntgeworden. In beiden Fällen sind jedoch enge Schiißkaniile vorgesehen. Außerdem soll der in die Kolbenmulde gelangte unverbrannte Kraftstoff, soweit überhaupt etwas darüber ausgesagt ist, verwirbelt und luftverteilt verbrannt werden, weshalb die Erfindung durch diesen Stand der Technik nicht nahegelegt werden konnte.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung geht die Vorkammer in beispielsweise durch die GB-PS 7 83 205 bekannter Weise über eine kegelmantelförmige Übcrgangsfläche in den Überströmkanal über und ist mit einer Zapfendüse oder Drosselzapfen- y> düse versehen. Dabei bildet die kegelmantelförmige Übcrgangsfläche der Vorkammer die vorgenannten heißen Teile der Vorkammer, in deren Bereich die Zündung einsetzt. Die Drosselzapfendüse kann gegebenenfalls dazu dienen, die Voreinspritzung eines gewissen Kraftstoffanteils zu erzielen.

Nach einer weiteren, ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Mulde bei einer an sich bekannten, gegenüber der Kolbcnachse nach der Vorkammer hin exzentrischen Anordnung eine Kegelstumpfform auf. Hierdurch ergibt sich eine besonders intensive Einwirkung des Luftwirbels auf die entlang der Seitenwand der Mulde einströmenden heißen Verbrennungsgase.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung betrifft ₄j schließlich eine an sich bekannte Anordnung einer in die Vorkammer hineinragenden Glühkerze, durch welche das Kaltstartverhalten der Dieselmaschine verbessert wird.

Durch die DT-PS 6 43 964, die deutsche Patentanmeldung D 8587 la/46a² und die DT-AS 10 70 876 sind zwar bereits Vorkammerdieselmaschinen bekannt, bei denen Austrittsbohrungen eines Überströmkanal mit ihren Achsen spitzwinklig gegen Wandteile eines Kolbenbrennraumes gerichtet sind. Nachdem diese Austrittsbohrungen jedoch alle derart schräg zur Einspritzrichtung der in der Vorkammer angeordneten Einspritzdüse angeordnet sind, daß kein direkter Kraftstoffdurchtritt durch diese Bohrungen möglich ist, konnten diese grundsätzlich anderen Konstruktionen die Erfindung nicht nahelegen.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht; es zeigt

F i g. 1 die erfindungsgemäße Vorkammerdieselmaschine in einem Teillängsschnitt durch einen Arbeitszylinder nebst Zylinderkopf nach der Linie I-I der Fig. 2 (der in seiner OT-Stellung befindliche Arbeitskolben ist strichpunktiert angedeutet);

F i g. 2 eine schematisch gehaltene Draufsicht auf den Arbeitskolben der Dieselmaschine gcmiiü F i g. 1 (mit Andeutung der Anordnung des Überströmkanals der Vorkammer und der Ventile);

F i g. 3 den Arbeitskolben gemäß F i g. 2 in einem Teillängsschnitt nach der Linie 111-111 der Fig. 2.

Die dargestellte Dieselmaschine weist einen in einem Arbeitszylinder 1 in üblicher Weise hin· und herbeweglichen Arbeitskolben 2 auf, der an der Seite seines Kolbenbodens 3 eine etwa kegclstumpfförmige Mulde 4 aufweist, die bei der dargestellten oberen Totpunktlage des Arbeitskolbens 2 den Mauptbrennraum bildet. Die Mulde 4 ist zur Achse 5 des Arbeitszylinder I exzentrisch angeordnet.

In einem dem Arbeitszylinder 1 zugeordneten Zylinderkopf6 ist im Bereich des dem Kolbenrand am nächsten kommenden Wandteiles der Mulde 4 eine etwa zylindrische Vorkammer 7 angeordnet, deren Achse 8 nahe der Seitenwand 9 der Mulde 4 schräg zur Achse 5 des Zylinders verläuft und die Seitenwand 9 an der Stelle 8' in einem spitzen Winkel trifft. Aus der Vorkammer 7 führt axial ein Überströmkanal 10 nach der Mulde 4 hin, der eine im Verhältnis zum Volumen der Vorkammer 7 große lichte Weite aufweist. Die Wandung der Vorkammer 7 geht in die Wandung des Überströmkanals 10 in üblicher Weise mittels einer kegclniantelförmigcn Übcrgangsfläche 11 über, auf welche die äußeren Teile des Kegelstrahles 12 einer in der Vorkammer in üblicher Weise axial angeordneten Zapfendüse 13 auftreffen, während der im Kernbereich des Kegelstrahles 12 befindliche größere Kraftstoffanteil durch den Überströmkanal 10 auf die Seitenwand 9 der Mulde 4 flach aufgetragen wird.

Das Gesamtvolumen der Vorkammer 7, zu der auch der Überströmkanal 10 gehört, beträgt nur etwa IO bis 30% des Verdichtungsvolumens der dargestellten Dieselmaschine, deren zu einem Einlaßventil 14 (I" i g. 2) führender Einlaßkanal 15 in einer üblichen, nicht besonders dargestellten Weise als Drallkanal ausgebildet ist, wodurch der in den Arbeitszylinder I einströmenden Verbrennungsluft eine Drallbewegung um die Zylinderachse in Richtung des Pfeiles 16 erteilt wird, die mit der Richtung der schrägen Auftragung des direkt in die Mulde 4 eingespritzten Kraftstoffanteils übereinstimmt. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, sind das Einlaßventil 14 und das Auslaßventil 17 auf der der Mulde 4 abgelegenen Seite der Achse 5 des Arbeitszylinders 1 angeordnet und befinden sich damit weit vom Bereich der Vorkammer 7 weg. Durch eine solche an sich bekannte Anordnung wird der Gefahr von Rissen im Zylinderkopf 6 vorgebeugt.

In die Vorkammer 7 ragt schließlich dicht oberhalb der Übergangsfläche 11 noch eine Glühkerze 18 hinein, die in üblicher Weise eine wirksame Kaltstarthilfe bildet.

Beim Betrieb der beschriebenen Dieselmaschine treffen die äußeren Teile des Kegeistrahles 12 auf die heizen Teile der Übergangsfläche ti der Vorkammer 7 und entzünden sich. Hierdurch treten aus der Vorkammer 7 zusammen mit dem größeren, noch unverbrannten Kraftstoffanteil die heißen Verbrennungsgasc des in der Vorkammer gezündeten Kraftstoffs in die Mulde 4 ein. Die heißen verbrannten Gase werden dort durch den vorhandenen Luftwirbe! vom unverbrannten Kraftstoffanteil getrennt, der wie bei einem üblichen Direkteinspritzverfahren auf die Seitenwand 9 der Mulde 4 aufgetragen, von dieser Wand wieder abgelöst, verdampft, mit der kreisenden Verbrennungsluft ver-

mischt und von den bereits vorhandenen heißen Verbrennungsgasen her gezündet sowie schließlich in der Verbrennungsluft verbrannt wird. Dabei besteht gegenüber dem iibliehen Direktcinspritzvcrfahren der Vorteil eines wesentlich kürzeren Zündverzuges und einer daraus resultierenden weichen Verbrennung.

Außerdem ergibt sich durch den großen Überströmquerschnitt eine gegenüber bisher üblichen Vorkammcrvcrfahren wesentlich kleinere Überschicbear-

beil, ein entsprechend kleinerer Druckunterschied /wischen Vorkammer und Hauptbrennraum sowie schließlich auch eine entsprechend geringere Phasen verschiebung der Drücke /wischen Vorkammer 7 unc S Mulde 4.

Wenn beispielsweise eine Voreinspritzung erziel werden soll, so kann statt der beschriebenen Zapfendüsi 13 ohne weiteres auch eine übliche Drossclzapfcndüsi verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorkammerdieselmasehine, insbesondere als Vielstoffmotor betrieben, mit einer den Hauptbrennraum bildenden Kolbenmulde und einem in die Mulde einmündenden, verhältnismüßig weiten Überströmkanal der im Zylinderkopf in größerem Abstand von der Zylindermitte schräg zur Zylinderachse angeordneten Vorkammer, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Vorkammer (7,10) nur etwa 10 bis 30 % des Verdichtungsvolumens beträgt, daß der Einlaßkanal (15) als Drallkanal im Sinne der Erzeugung einer uni eine zur Zylinderachse parallele Achse kreisenden Lufteinströmung in die Mulde (4) ausgebildet ist und daß der Überströmkanal (10) axial in einem spitzen Winkel mit einer tangentialen Richtungskomponente im Sinne der kreisenden Lufteinströmung gegen die Seitenwand (9) der Mulde (4) gerichtet ist.

2. Dieselmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkammer (7) in an sich bekannter Weise über eine kegelmantelförmige Übergangsfläche (11) in den Überströmkanal (10) übergeht und mit einer Zapfendüse (13) oder Drosselzapfendüse versehen ist.

3. Dieselmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mulde (4) bei einer an sich bekannten, gegenüber der Kolbenachse (Achse 5) nach der Vorkammer (7) hin exzentrischen Anordnung eine Kegelstumpfform aufweist.

4. Dieselmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die Vorkammer in an sich bekannter Weise eine Glühkerze (18) hineinragt.