DE19645913C2 - Combustion chamber with mutual swirls for internal combustion engines - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf Brennräume für Dieselmotoren mit direkter und indi rekter Kraftstoffeinspritzung (Vorkammermotoren), für Ottomotoren mit äußerer Ge mischbildung, für Ottomotoren mit direkter Kraftstoffeinspritzung, für Ottomotoren mit einer Vorkammer im Zylinderkopf (Schichtlademotoren) und für Hybridmotoren.The invention relates to combustion chambers for diesel engines with direct and indi right fuel injection (prechamber engines), for gasoline engines with external Ge mixed formation, for petrol engines with direct fuel injection, for petrol engines with a prechamber in the cylinder head (stratified charge engines) and for hybrid engines.
Die Brennräume von Diesel- und Ottomotoren sind entsprechend dem jeweiligen Gemischbildungs- bzw. Verbrennungsverfahren konstruiert und haben dadurch be kanntlich verfahrensbedingte Nachteile.The combustion chambers of diesel and gasoline engines correspond to the respective ones Mixture or combustion processes constructed and have thereby Known procedural disadvantages.
Bei Dieselmotoren mit direkter Kraftstoffeinspritzung ist der Muldenbrennraum im Kolbenboden so angeordnet, daß eine Gasbewegung in radialer Richtung, die soge nannte Radialgasbewegung, im Bereich des oberen Totpunktes (o. T.) erzeugt wird. Die Gemischbildung und Verbrennung erfordert einen ausgeprägten Ladungsdrall (Luftdrall), der durch eine entsprechende Konstruktion des Ansaugsystems erzielt wird. Dadurch vermindert sich der Liefergrad (Füllungsgrad) infolge von Strömungs verlusten, was zu einer reduzierten Motorleistung führt; die Gestaltung des Ansaug systems ist aufwendig.In diesel engines with direct fuel injection, the trough combustion chamber is in the Piston plate arranged so that a gas movement in the radial direction, the so-called called radial gas movement, is generated in the area of top dead center (without T.). The mixture formation and combustion requires a pronounced charge swirl (Air swirl), which is achieved by a corresponding construction of the intake system becomes. This reduces the degree of delivery (degree of filling) due to flow losses, resulting in reduced engine performance; the design of the intake systems is complex.
Der erzwungene Ladungsdrall bewegt sich nur in einer Richtung. Eine gleichmäßige Verteilung des Kraftstoff auf die Luft ist dadurch nicht möglich. Es entstehen Berei che mit unterschiedlicher Kraftstoffkonzentration, die zu einer erhöhten Schadstoffe mission (HC, CO und PM) insbesondere der Ruß- und Partikelemission führen.The forced charge swirl only moves in one direction. An even one This means that the fuel cannot be distributed to the air. There are areas che with different fuel concentration, which leads to increased pollutants mission (HC, CO and PM) especially lead to soot and particle emissions.
Bei Ottomotoren kommt am häufigsten ein Muldenbrennraum, der im Kolbenboden und/oder im Zylinderkopf angeordnet ist, zur Anwendung. Mit Hilfe der Brennraum gestaltung, in Form von Quetschflächen, wird im Bereich des o. T. eine Radialgas bewegung erzielt. Diese ist allerdings nicht ausreichend um eine genügend große Verbrennungsgeschwindigkeit zu erzielen. Dadurch verlängert sich die Verbren nungsdauer weit in den Expansionstakt hinein, was zu einer Verringerung des Wir kungsgrades führt. Dieser Nachteil ist besonders ausgeprägt im Teillastbereich, bei niedrigen Drehzahlen und bei Magerbetrieb (überstöchiometrisches Gemisch, λ < 1) des Ottomotors.With gasoline engines, the most common is a trough combustion chamber in the piston crown and / or is arranged in the cylinder head for use. With the help of the combustion chamber design, in the form of squeeze areas, becomes a radial gas in the area of the top part movement achieved. However, this is not sufficient for a sufficiently large one Achieve burn rate. This prolongs the burn duration far into the expansion clock, which leads to a reduction of the we efficiency leads. This disadvantage is particularly pronounced in the partial load range low speeds and in lean operation (over-stoichiometric mixture, λ <1) of the gasoline engine.
Bei neueren Entwicklungen wird durch sogenannte Schaftsaugrohre und/oder durch die Gestaltung des Ansaugsystems, ähnlich wie beim Dieselmotor, ein Ladungsdrall erzeugt und damit die Verbrennungsgeschwindigkeit erhöht. Beide Maßnahmen sind sehr aufwendig und verringern gleichzeitig den Liefergrad vor allem im oberen Dreh zahlbereich und damit die Leistung des Ottomotors.In more recent developments, so-called shaft suction pipes and / or through the design of the intake system, similar to that of a diesel engine, is a charge swirl generated and thus increases the rate of combustion. Both measures are very complex and at the same time reduce the degree of delivery, especially in the upper turn number range and thus the performance of the gasoline engine.
Zur Erhöhung der Verbrennungsgeschwindigkeit wurden auch Brennräume patentiert (z. B. US 5 065 715 und DE 27 32 005), die zur Intensivierung der Turbulenz gleich zeitig Radial- und Tangentialgasbewegungen im Bereich des o. T. erzeugen. Ein er heblicher Nachteil dieser Brennräume ist die Überlagerung beider Gasbewegungen, wodurch eine geordnete Zuführung der Luft zum Kraftstoff oder des Kraftstoffs zur Luft nicht möglich ist. Im Gegensatz zu diesen Patenten wurde im Patent DE 41 27 617 C1 der Brennraum so gestaltet, daß nur sehr schwache Radial- und Tangential gasbewegungen vorkommen. Dagegen wird die Trennung der einzelnen Kraft stoffstrahlen im Brennraum streng gewahrt.Combustion chambers have also been patented to increase the combustion speed (e.g. US 5 065 715 and DE 27 32 005), which are the same for intensifying the turbulence Generate radial and tangential gas movements in the area of the upper part at an early stage. A he The main disadvantage of these combustion chambers is the overlapping of both gas movements, whereby an orderly supply of air to fuel or fuel to Air is not possible. In contrast to these patents, patent DE 41 27 617 C1 the combustion chamber designed so that only very weak radial and tangential gas movements occur. In contrast, the separation of the individual force Material jets strictly observed in the combustion chamber.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kraftstoffstrahlen im Brennraum zu trennen, so daß eine geordnete Zuführung der Luft zu den einzelnen Kraftstoffstrah len möglich ist. Im Vergleich zu den aufgeführten Patenten und zu den bekannten Brennräumen (z. B. mulden-, wannen- und halbkugelförmige Brennräume) verhindert der neue Brennraum vor allem die Radialgasbewegung. Im Brennraum wird ausschließlich eine Ladungsbewegung in tangentialer Richtung, die sogenannte Tangentialgasbewegung, erzeugt. Diese wird in Form von gegenseitigen Drallen geschaffen und erreicht die höchste Intensität im Bereich des oberen Totpunktes. Das Zusammenstoßen der gegenseitigen Dralle intensiviert die Gemischbildung zwischen Kraftstoff und Luft und beschleunigt gleichzeitig die Verbrennung, was zu einem erhöhten Wirkungsgrad und zu einem verminderten Schadstoffausstoß führt. Ein Ladungsdrall, der durch eine aufwendige Konstruktion des Ansaugsystems erzeugt wird, ist nicht mehr erforderlich.The invention has for its object to the fuel jets in the combustion chamber separate, so that an orderly supply of air to the individual fuel jet len is possible. In comparison to the listed patents and the known ones Combustion chambers (e.g. trough-shaped, trough-shaped and hemispherical combustion chambers) are prevented the new combustion chamber especially the radial gas movement. In the combustion chamber only a charge movement in the tangential direction, the so-called Tangential gas movement. This is in the form of mutual swirls created and reached the highest intensity in the area of top dead center. The collision of the mutual swirl intensifies the mixture formation between fuel and air while accelerating combustion what to leads to increased efficiency and reduced pollutant emissions. A charge swirl created by an elaborate construction of the intake system is no longer required.
Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 bis 6 aufgeführten Merkmale und durch die nachfolgend dargestellte und beschriebene Brennraumkonstruktion, gelöst.The object is achieved by the features listed in claims 1 to 6 and solved by the combustion chamber construction shown and described below.
Im Kolbenboden Kb und/oder im Zylinderkopf Zk werden zwei oder mehrere offene Radialkanäle K (Bild 1.1 und 1.2), verschiedenster geometrischer Form, die vom Zentrum des Kolbenbodens bis zu einem bestimmten Abstand vom Kolbenboden kreisumfang ausgeweitet und gleichmäßig um die Achse A des Zylinders Zy verteilt sind, hergestellt. In Bild 1.3 und 1.4 sind als Beispiel zwei unterschiedliche geome trische Formen dargestellt. Der Brennraum ist insbesondere für Drei-, Vier- und Fünf- Ventilmotoren geeignet, da bei diesen Motoren die Einspritzdüse Ed (Bild 1), die Zündkerze Zü (Bild 2), oder die Vorkammer Vk (Bild 3), zentral im Brennraum ange ordnet ist. Die Anzahl i der Radialkanäle entspricht dabei der Anzahl der Kraft stoffstrahlen der Einspritzdüse bzw. der Anzahl der Flammenstrahlen der Vorkam mer. Die Kraftstoffstrahlen bzw. die Flammenstrahlen dringen teilweise oder insge samt in die Kanäle ein. Durch die Anordnung der Kanäle wird eine gleichmäßige Kraftstoffverteilung im Brennraum erzielt.In the piston base Kb and / or in the cylinder head Zk are two or more open radial channels K (Figure 1.1 and 1.2), verschiedenster geometric shape, up to a certain distance from the piston head circumference extended from the center of the piston crown and uniformly about the axis A of the cylinder Zy are distributed, manufactured. In Figure 1.3 and 1.4, two different geometric figures tric forms are shown as an example. The combustion chamber is particularly suitable for three-, four- and five-valve engines, since the injection nozzle Ed ( Fig. 1), the spark plug Zü ( Fig. 2), or the pre-chamber Vk ( Fig. 3) are arranged centrally in the combustion chamber is. The number i of the radial channels corresponds to the number of fuel jets from the fuel injector or the number of flame jets from the chamber. The fuel jets or the flame jets penetrate partially or altogether into the channels. The arrangement of the channels ensures an even fuel distribution in the combustion chamber.
Bei dem neuen Brennraum wird der für die Gemischbildung und Verbrennung erfor derliche Ladungsdrall dadurch erzeugt, daß das Arbeitsgas während des Kompres sionstaktes in die Radialkanäle gequetscht wird (Bild 1.2 und 2, 2). In jedem Kanal werden jeweils zwei Dralle D, also insgesamt 2 × i Arbeitsgasdralle, erzeugt. Die bei den Dralle (ein Drallpaar) eines Radialkanals strömen gegeneinander (Bild 1.2). Teilweise durchdringen die beiden Dralle die Kraftstoffstrahlen bei direkter Kraftstoffeinspritzung bzw. die Flammenstrahlen bei Vorkammermotoren und teil weise umgeben sie diese. Dadurch wird die Luft gleichmäßig und geordnet um den Kraftstoffstrahl verteilt. Bei Ottomotoren mit äußerer Gemischbildung wird durch die sen Vorgang das Gemisch zusätzlich homogenisiert und die Turbulenz erhöht.In the new combustion chamber, the charge swirl required for mixture formation and combustion is generated by squeezing the working gas into the radial channels during the compression stroke ( Fig. 1.2 and 2, 2). Two swirls D, ie a total of 2 × i working gas swirls, are generated in each channel. The swirls (a swirl pair) of a radial channel flow against each other ( Figure 1.2). In part, the two swirls penetrate the fuel jets in the case of direct fuel injection or the flame jets in the case of prechamber engines, and in part they surround them. This distributes the air evenly and orderly around the fuel jet. In gasoline engines with external mixture formation, this process additionally homogenizes the mixture and increases the turbulence.
Im Bereich des oberen Totpunktes (o. T.) werden die Dralle verstärkt. Die Winkelge schwindigkeit ωD der gegenseitigen Dralle kann mehrfach größer als die Winkelge schwindigkeit ωK der Kurbelwelle werden. Sie ist direkt proportional zur Motordreh zahl und umgekehrt proportional zum Abstand h zwischen Kolbenboden und Zylin derkopf im Bereich des oberen Totpunktes. Sie ist auch umgekehrt proportional zur Anzahl und zum Volumen der Kanäle. Unter Berücksichtigung aller Parameter ergibt sich für die Winkelgeschwindigkeit ωD ein Höchstwert.The swirls are intensified in the area of the top dead center (without T.). The Winkelge speed ω D of the mutual swirl can be several times greater than the Winkelge speed ω K of the crankshaft. It is directly proportional to the engine speed and inversely proportional to the distance h between the piston crown and cylinder head in the area of top dead center. It is also inversely proportional to the number and volume of the channels. Taking all parameters into account, there is a maximum value for the angular velocity ω D.
Im Expansionstakt kehrt sich die Richtung der Drallbewegung um (Bild 2.3). Die Dralle bestehen jetzt aus Flammengas, Heißgas, Heißluft, Kraftstofftröpfchen und/oder Kraftstoffdampf. Jeweils zwei Dralle aus zwei verschiedenen Radialkanälen stoßen zusammen und durchdringen sich. Das gegenseitige Durchdringen der Heiß gasströmungen erhöht die Verbrennungsgeschwindigkeit und verkürzt damit die Ver brennungsdauer.In the expansion cycle, the direction of the swirl movement is reversed ( Figure 2.3). The swirls now consist of flame gas, hot gas, hot air, fuel droplets and / or fuel vapor. Two swirls from two different radial channels collide and penetrate each other. The mutual penetration of the hot gas flows increases the combustion speed and thus shortens the combustion time.
Der neue Brennraum ermöglicht die Steuerung der Gemischbildung und Verbren nung durch die Variation des Verhältnisses zwischen dem gesamten Volumen der Radialkanäle und dem Kompressionsvolumen des Brennraumes sowie durch die geometrische Form der Radialkanäle.The new combustion chamber enables the mixture formation and combustion to be controlled by varying the ratio between the total volume of the Radial channels and the compression volume of the combustion chamber as well as through the geometric shape of the radial channels.
Bei dem neuen Brennraum wird die für die Gemischbildung und Verbrennung erfor derliche Arbeitsgasbewegung (Drallbewegung), wie oben beschrieben, durch die Quetschflächen zwischen den Radialkanälen im Kolbenboden oder Zylinderkopf er zielt. Dadurch entfällt die aufwendige Konstruktion des Ansaugsystems; der Liefer grad erhöht sich.The new combustion chamber is used for mixture formation and combustion Working gas movement (swirl movement), as described above, by the Squeezing surfaces between the radial channels in the piston crown or cylinder head aims. This eliminates the complex construction of the intake system; the delivery degree increases.
Durch die erzwungene Drallbewegung und das Zusammenstoßen von zwei gegen seitigen Drallen im Kompressionstakt wird die Luft geordnete und gleichmäßig zum Kraftstoffstrahl geführt. Gleichzeitig wird eine Luftbewegung um und durch den Kraft stoffstrahl erzielt. Infolgedessen verbessert sich die Gemischbildung. Die Luftausnut zung erhöht sich bei Vollast.By the forced swirl movement and the collision of two against each other side swirls in the compression stroke, the air becomes orderly and even Fuel jet led. At the same time there is an air movement around and through the force jet achieved. As a result, the mixture formation improves. The air gap tongue increases at full load.
Durch die Umkehrung der Drallbewegung im Expansionstakt wird der Gemischbil dungsprozeß zusätzlich verbessert und die Verbrennungsgeschwindigkeit insbeson dere im letzten Teil der Verbrennung erhöht.By reversing the swirl movement in the expansion cycle, the mixture is formed tion process additionally improved and the combustion rate in particular which increased in the last part of the combustion.
Es ergeben sich folgende Vorteile:
The advantages are as follows:
- - kleinerer Hubraum bei gleicher Leistung- Smaller displacement with the same performance
- - geringerer Kraftstoffverbrauch- lower fuel consumption
- - verringerte Ruß- und Partikelemission- reduced soot and particle emissions
- - reduzierte NOx-Emission bei Vollast- reduced NOx emission at full load
Ist bei Ottomotoren die Zündkerze im Zentrum des Brennraumes angeordnet, dann ist von folgendem Modell der Verbrennung auszugehen:If the spark plug is located in the center of the combustion chamber in gasoline engines, then the following model of combustion is to be assumed:
Der Flammenkern entsteht rund um die Zündkerze und ist sehr stabil, da die Ge mischbewegung an dieser Stelle gering ist. Die Flamme breitet sich gleichmäßig in radialer Richtung aus (Bild 2.1 und 2.2). Die gegenseitigen Gemischströmungen (Dralle) treffen sich in den Radialkanälen und stoßen zusammen, wodurch die Ge mischbildung intensiviert und die Turbulenz erhöht wird. Infolge der zunehmenden Turbulenz, erhöht sich die Flammengeschwindigkeit in den Radialkanälen. Im Expansionstakt kehren sich die Dralle um und die Flammenfronten breiten sich oberhalb des Kolbenbodens aus. Danach stoßen die gegenseitigen Flammenfronten zusammen und durchdringen sich (Bild 2.3). Die Verbrennung findet jetzt in der Tiefe der turbulenten Flammenfronten statt, wodurch die Verbrennungsgeschwindigkeit erhöht und infolge davon die Verbrennungsdauer verkürzt wird.The flame core is created around the spark plug and is very stable because the mixing movement is low at this point. The flame spreads evenly in the radial direction ( Figures 2.1 and 2.2). The mutual mixture flows (swirls) meet in the radial channels and collide, which intensifies the mixture formation and increases the turbulence. As a result of increasing turbulence, the flame speed in the radial channels increases. In the expansion cycle, the swirls reverse and the flame fronts spread out above the piston crown. Then the mutual flame fronts collide and penetrate each other ( Figure 2.3). The combustion now takes place at the depth of the turbulent flame fronts, which increases the speed of combustion and, as a result, shortens the duration of combustion.
Es ergeben sich folgende Vorteile:
The advantages are as follows:
- - erhöhter Wirkungsgrad, insbesondere im Teillastbereich und bei niedrigen Drehzahlen, infolge der verkürzten Brenndauer- Increased efficiency, especially in the partial load range and at low Speeds due to the shortened burning time
- - verringerte Klopfneigung durch die erhöhten Ladungsturbulenzen- Reduced tendency to knock due to the increased charge turbulence
- - höhere Drehzahlen, da die Flammengeschwindigkeit proportional der Drehzahl steigt- higher speeds because the flame speed is proportional to the Speed increases
- - reduzierte Schadstoffemissionen (NOx, CO, HC) infolge stabilerer Zündung- Reduced pollutant emissions (NOx, CO, HC) due to more stable ignition
- - reduzierte Schadstoffemissionen (NOx, CO, HC) durch Gemischverdünnung infolge erhöhter Ladungsturbulenzen- Reduced pollutant emissions (NOx, CO, HC) by diluting the mixture due to increased charge turbulence
- - verbesserte Steuerung der Gemischbildung und Verbrennung durch Variation des Verhältnisses zwischen dem Gesamtvolumen der Radialkanäle und dem Kompressionsvolumen des Brennraumes- Improved control of mixture formation and combustion through Variation of the ratio between the total volume of Radial channels and the compression volume of the combustion chamber
- - vereinfachtes Ansaugsystem- simplified intake system
Bei Ottomotoren mit einer Vorkammer im Zylinderkopf (Schichtlademotoren), wird in der Vorkammer ein unterstöchiometrisches ("fettes") Gemisch gebildet und die Ver brennung durch Fremdzündung eingeleitet. Die Flammenstrahlen des "fetten" Gemi sches strömen aus den Vorkammeröffnungen und dringen in die Radialkanäle ein (die Anzahl i der Radialkanäle entspricht dabei der Anzahl Flammenstrahlen der Vor kammer) und entzünden das "magere" Gemisch in den Kanälen bzw. im Hauptbrenn raum. Durch die erzwungene Drallbewegung im Kompressionstakt wird das "ma gere" Gemisch im Hauptbrennraum gleichmäßig und geordnet zum Flammenstrahl geführt. For petrol engines with a prechamber in the cylinder head (stratified charge engines), in the pre-chamber formed a substoichiometric ("fat") mixture and the Ver Burn started by spark ignition. The flame rays of the "fat" Gemi flows out of the pre-chamber openings and penetrate into the radial channels (The number i of the radial channels corresponds to the number of flame beams from the front chamber) and ignite the "lean" mixture in the channels or in the main burner room. Due to the forced swirl movement in the compression cycle, the "ma gere "mixture in the main combustion chamber evenly and ordered to the flame beam guided.
Im Expansionstakt breiten sich die Flammenfronten (Flammenströmungen) oberhalb des Kolbenbodens als umgekehrte Dralle mit großer Geschwindigkeit aus und je weils zwei Dralle aus zwei verschiedenen Radialkanälen stoßen zusammen und durchdringen sich. Dadurch wird die Verbrennungsgeschwindigkeit erhöht und die Verbrennungsdauer verkürzt. Das ermöglicht eine verstärkte Gemischverdünnung, die zu einer geringeren Schadstoffemission und zu einem erhöhtem Wirkungsgrad im Teillastbereich führt.In the expansion cycle, the flame fronts (flame currents) spread above of the piston crown as an inverted swirl at high speed and ever because two swirls from two different radial channels collide and penetrate each other. This increases the rate of combustion and the Shortened burn time. This enables an increased mixture dilution, which lead to a lower pollutant emission and an increased efficiency in Partial load range leads.
Claims (6)
- 1. zwei oder mehrere offene Radialkanäle im Kolbenboden/Zylinderkopf angeordnet und am Umfang gleichmäßig verteilt sind;
- 2. sich die Radialkanäle im Mittelpunkt des Kolbenbodens/Zylinderkopfs treffen und im Querschnitt von verschiedenster Form sind;
- 3. die Flächen zwischen den Radialkanälen, die gleichmäßig am Umfang verteilt sind, Quetschflächen bilden und nur eine Tangentialgasbewegung in Form von gegenseitigen Drallen erzeugen;
- 4. die gegenseitigen Dralle in der Kompressions- und Expansionsphase im Bereich des oberen Totpunktes (o. T.) zusammenstoßen.
- 1. two or more open radial channels are arranged in the piston crown / cylinder head and are evenly distributed on the circumference;
- 2. the radial channels meet at the center of the piston crown / cylinder head and are of various shapes in cross-section;
- 3. the areas between the radial channels, which are evenly distributed around the circumference, form squeeze areas and only produce a tangential gas movement in the form of mutual swirls;
- 4. The mutual swirls collide in the compression and expansion phase in the area of top dead center (without T.).
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