DE2218825A1

DE2218825A1 - Explosionsmotor mit Zylindereinspritzung

Info

Publication number: DE2218825A1
Application number: DE19722218825
Authority: DE
Inventors: Motoyasu Yokohama Kanagawa; Yoshida Yoshitaka Tokio; Kimbara (Japan). P
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1971-04-15
Filing date: 1972-04-14
Publication date: 1972-10-26
Also published as: GB1384588A; US3814068A; JPS506603B1

Description

.DIPL. ING. HERBERT TISCHER

MÖNCHEN

J L APR. 1972

1 BERLIN 33 (GRUNEWALD), den HERBERTSTRASSE 22

4-7-1O65

ISUZU MOTORS LIMTED, Tokyo/Japan Explosionsmotor mit Zylindereinspritzung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungskammer, für einen Explosionsmotor mit Zylindereinspritzung im allgemeinen und auf eine Verbrennungskammer mit einem Hohlraumaufbau mit mehreren Seiten, mit dem die Faktoren geregelt werden können, die bei der Ausbildung des Motors dieser Art, nämlich die Intensität des Luftwirbels, die Verteilung des Brennstoffs und das Mischen des Brennstoffs mit Luft durch Zerstäubung o.der Verdampfung wichtig, im besonderen.

Im allgemeinen werden Verbrennungskammern für Zylindereinsprit zungsexplosionsmo tore durch je einen Zylinderkopf, eine Zylinderbüchse und einen Kolbenkopf gebildet.

In einer Verbrennungskammer eines üblichen Einspritzmotors mit einem Hohlraum 2, von dem die Kontur der Hohlraumwand 4 von kreisrunder Form im oberen Teil eines jeden Kolbens 1 ist, wie die Figuren 1(1) und 1(11) zeigen, wird aus einer Mehrfachdüse 3 Brennstoff eingespritzt (hier mit drei Mündungen gezeigt), die praktisch in der Mitte des Hohlraumes gegen die Hohlraumwandung 4 angeordnet sind. Die Verbrennungskammer ist mit verschiedenen Einrichtungen, z.B. Ventilen, Richtöffnungen oder Spiralöff-

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nungen zum Erzeugen eines Luftwirbels (in der durch den Pfeil 5 angezeigten Sichtung) versehen. Ein Teil des Brennstoffs 6, der von der Düse 3 radial an die Innenwand des Hohlraums gespritzt wird, trifft auf den Luftwirbel 5, der sich bereits im Hohlraum 2 befindet, und wird unmittelbar zerstreut und in der Ansaugluft gemischt (dieses Phänomen wird im folgenden als "primäre Zerstäubung des Brennstoffs" bezeichnet). Der Rest des Brennstoffes dringt durch den V/irbel 5 und erreicht die Hohlraumwandung 4, an der etwas Brennstoff zerstäubt wird (dieses Phänomen wird "sekundäre Brennstoffzerstäubung" genannt), während der restliche Brennstoff die Fläche der Hohlraumwandung in Form eines dünnen Brenn_stoffilms benetzt.

Die Verbrennung des Brennstoffs erfolgt auf folgende Weise: Zuerst wird die Mischung aus der primären Brennstoffzerstäubung durch Selbstzündung verbrannt. Dann wird die Mischung aus der sekundären Zerstäubung gezündet. Schließlich wird Brennstoifbenetzung der Hohlraumwandung 4 durch Hitze, die durch die vorhergehenden Zündungen entstanden ist, und die Hitze der Hohlraumwandung 4 verdampft (dieses Phänomen wird hier die "Verdampfung des Brennstoffs") genannt), und der entstandene Dampf mischt sich im Luftwirbel 5 und verbrennt im Hohlraum 2. Bei diesem Zünd- und Verbrennungsverfahren wird das heiße Gas (ohne Sauerstoff), das in der Anfangsstufe verbrannt worden ist, in seinem spezifischen Gewicht niedriger als unverbrannte Luft und versucht, sich in der Mitte des Hohlraums 2 unter der Zentrifugalwirkung des ./irbels 5 anzusammeln. Die unverbrannte Luft mit dem höheren spezifischen Gewicht beginnt an der stelle des heißen Gases entlang der Hohlraumwandung 4 zu wirbeln. Auf diese ./eise wird der Brennstoffdampf, der neben der Hohlraumwandungsfläche durch die oekundärzerstäubung mit der unverbrannten Luft an der Hohlraumwandung 4 gut vermischt. Ein

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vorzüglicher Liotor mit einem sehr ruhigen und wünschenswerten Verbrennungsablauf wird somit theoretisch dadurch erhalten, daß die Intensität des Wirbels 5j der Aufprallwinkel des Brennstoffs gegen die Hohlraumwandung 4 und die Temperatur der Kohlraumwanduiigsflache gesteuert und die primäre und sekundäre Zerstäubung und die Verdampfung des Brennstoffs gut abgeglichen gehalten sind.

^s ist aber tatsächlich sehr schwierig, mit einer Verbrennungskammer mit einem kreisrunden Hohlraum 2 nach den Figuren 1(1) und 1(11) den beschriebenen Verbrennungspro zei vollkommen über einen weiten Bereich der Motordrehzahl zu erhaltene Der Grund hierfür ist in der bisherigen Technik wohlbekannt und besteht darin, daß die V/irbelgeschwindigkeit der Ansaugluft proportional mit der Llotordrehzahl ansteigt, und deshalb besteht die allgemeine -Tendenz, daß die Intensität des ./irbels 5 i^m Bereich niedriger Jrehzahlen des liotors nicht ausreicht und im Bereich höherer Drehzahlen zu hoch ist. 'Jean die Intensität des Luftwirbels zu gering ist, würde sie die primäre Zerstäubung und die Verdampfung des Brennstoffs unzureichend machen, was wiederum ein mageres Brennstoff-Luftgemisch, eine niedrige Verbrennungsgeschwindigkeit, eine verringerte Leistung und einen Abgasausstoß zur Folge haben würde.

./enn die Intensität des Luftwirbels 5 zu stark ist, steigt die primäre Zerstäubung wie auch die Verdampfung des Brennstoffs infolge der ungenügenden Durchdringung des Brennstuf fs durch den .-Zirbel 5 an> Sie führt zu einer sehr raschen Verbrennung und zu einem hohen Verbrennungsgeräusch. Die Beanspruchungen der Motorenteile steigen somit an und erhöhte örtliche Verbrennungstemperaturen beschädigen mechanische Teile» Darüber hinaus wird die Bildung von schädlichen Bestandteilen im Abgas-gefördert.

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Bei einem Motor mit einer Mehröffnungsdüse 3 nahe dem Mittelpunkt des runden Hohlraumes 2 nach den Figuren 1(1) und 1(11) ist der Abstand 1 zwischen der Düse und der Hohlraumwandung 4 nahezu konstant, weil die Kontur des Hohlraumes 2 kreisförmig ist. Dies bedeutet, daß der Aufprallwinkel des Brennstoffs auf die Hohlraumwandung 4 und das benetzte Gebiet der Hohlraumwandfläche sehr klein eingestellt werden können₀ Auch wenn die Düse

3 gedreht und so verschoben wird, daß die Mündungsrichtungen geändert werden, trifft der eingespritzte Brennstoff aus den Mündungen einfach auf die Hohlraumwandung

4 in nahezu rechtem Winkel auf und benetzt diese. Es ist aber unmöglich, die Aufprall- und Benetzungsstelle des eingespritzten Brennstoffs gegen die Hohlraumwandung 4 einzustellen, um so den besten Aufprallwinkel und die beste Benetzungsfläche in bezug auf die verfügbare Wirbelintensität (Motorendrehzahl) zu erhalten. Folglich erreicht der Motor eine höhere Geschwindigkeit und beeinflußt einen starken Wirbel. ±)er Anteil der primären Zerstäubung des Brennstoffs steigt an und die Brennstoffverteilung im Hohlraum 2 wird ungleich« Der tatsächliche Verbrennungsvorgang.versucht somit, vom theoretischen Verlauf abzuweichen.

Es ist deshalb aufgäbe der Erfindung, hinsichtlich der verschiedenen Nachteile der herkömmlichen Verbrennungskammer diese mit einem nicht kreisförmigen mehrteiligen und mehrseitigen Hohlraum zu versehen, der einen theoretischen Verbrennungsvorgang realisieren kann. Die Verbrennungskammer soll auch einen gewünschten ^vverbrennungsvorgang dadurch bewirken, daß nur die Neigung zu einem übermäßigen Wirbel im Bereich hoher Motordrehzahlen vermieden wird, während in entsprechender Weise die Wirbelstärke im unteren Drehzahlbereich auf der -Grundlage der bekannten Theorie gehalten wird, daß die Dämpfungswirkung des Luftwirbels quadratisch proportional

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_ 5 —

zur Wirbeigeschwindigkeit (oder der Motordrehzahl) ansteigto

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verbrennungskammer zu schaffen, für die der Aufprallwinkel, des
Brennstoffs gegen die Hohlraumwandung und die Benetzungsfläche so eingestellt werden können, daß eine bessere
Mischung von Brennstoff und Luft erzielt wird_o

Die Erfindung, ihre Vorteile und Merkmale werden in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Ss ist für den
Fachmann zu erkennen, daß die Erfindung auf das beschriebene Ausführungsbeispiel nicht beschränkt ist, daß vielmehr Abänderungen möglich sind, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. In der Zeichnung sind:

die Figuren 1(1) und 1(11) eine Ansicht und ein Vertikalschnitt eines Kolbens mit einer Verbrennungskammer, die entsprechend der Erfindung ausge- ' führt ist;

die Figuren 2(1) und.2(11) eine Ansicht, und ein Vertikalschnitt eines Kolbens mit einer Verbrennungskammer, die entsprechend der Erfindung ausgeführt ist; und

Figur 3 ©in Diagramm mit den Beziehungen zwischen Wirbelgeschwindigkeit und Motordrehzahl der Verbrennungskammer nach der Erfindung und bei
herkömmlicher Bauart«

Ji e Erfinciung wird in Verbindung mit einem '■Ausführungsbeispiel mit praktisch dreieckförmigera Hohlraum beschrieben. Ähnlich der gewöhnlichen Verbrennungskammer nach den Figuren 1(1) und 1.(11) besteht die Verbrennungskammer nach der .Erfindung nach den Figuren 2(1) und 2(11) aus einem

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Zylinderkopf, einer Zylindereinlage und einem Kolbenkopf mit dem Hohlraum 2. Nahe der Mitte des Hohlraums 2 befindet sich eine Einspritzdüse 3, die mit mehreren Mündungen (im vorliegenden lall drei) versehen ist, so daß der Brennstoff radial gegen die Innenwandfläche der Hohlraumwandung 4· eingespritzt werden kann« Durch bekannte Mittel wird ein Luftwirbel 5 im Hohlraum 2 erzeugt.

Die Kontur der Hohlraumwandung 4- ist etwa dreieckförmig. Im Vergleich mit der Kontur des üblichen kreisrunden Hohlraumes 2¹, der in den Figuren 2(1) und 2(11) gestrichelt dargestellt ist, verläuft die umgebende Wandung 4-nach innen oder zur Hohlraummitte in drei in gleichen Abständen angeordneten Teilen des Kreises und bildet mit einer entsprechenden Dicke t je drei gerade oder nahezu gerade Seitenwände 7 eines Dreiecks» Die drei Seitenwände 7 sind mit jeder anderen mit drei bogenförmigen Kurven 8 verbunden, die drei Ausbuchtungen ergeben» Die Düse 3 ist so angeordnet, daß die Brennstofföffnungen aus drei Mündungen schräg gegen die drei Seitenwände 7 der Hohlraumwandung 4- auf treffen und von diesen zurückprallen.

Durch den Hohlraum 2 mit einer Kontur mit drei Seitenwänden ist somit der Verbrennungsvorgang des Motors ideal. Insbesondere ist die Intensität des Wirbels $ durch eine Wirbel beeinflussende Einrichtung bekannter Art auf einen optimalen 7/ert für den unteren Drehzahlbereich des Motors gebracht und die primäre und die sekundäre Zerstäubung und die Brennstoffverdampfung erfolgen in dem Gebiet in Übereinstimmung mit der Theorie, „'enn die IJotorgeschwindigkeit in das Gebiet höherer Drehzahlen gelangt ist, wird der ',Virbel 5> der andererseits die Motordrehzahl übermäßig ansteigen läßt, durch die verlängerten Seitenteile 7 verringert. Selbstverständlich werden die primäre und die sekundäre Zerstäubung- und die Verdampfung ausge-

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glichen gehalten und der theoretische Verbrennungsvorgang geht weiter. Unterschiedlich davon kann die ■Verbrennungskammer nach der Erfindung, bei der eine entsprechende ,/irbelintensität für den Bereich niederer Drehzahlen besteht, einen Wirbel 5 von einer Intensität besitzen, die genau diejenige ist, die in diesem Drehzahlbereich ohne Einfluß der Seitenteile 7 vorausgesetzt ist. Dies ist nicht der lall, bis der Wirbel 5 mit der Erhöhung der ICo tor drehzahl en ein Moment erlangt hat, bei dem die Seitenteile 7 äes Hohlraums 2 beginnen, eine ausgezeichnete Wirkung zu erhalten. Je kräftiger (das heißt schneller) der Jirbel 5 ist, desto dichter wird der Wirbel zentrifugal zur Hohlraumwandung 4 getrieben, um schnell an der Wandungsflache zu verlaufen. Die nach innen verlaufenden Seitenteile 7 erzeugen eine ausreichend kräftige Reibung zwischen sich und dem V/irbel 5» damit der Wirbel nicht zu stark anwachsen kann. Diese Dämpfung am Y/irbel 5 steigt quadratisch proportional mit der Geschwindigkeit des Wirbels an und somit wird je kräftiger der Wirbel 5 desto größer die Dämpfungswirkung sein, die erreicht wird. In der Verbrennungskammer mit gewöhnlichem kreisrunden Querschnitt ohne die sich nach innen erstreckenden Seitenteile 7 nach der Erfindung wird die Geschwindigkeit des Wirbels direkt proportional zur Motordrehzahl sein, wie in Figur 3 durch die gestrichelte Kurve dargestellt ist. Gemäß der Erfindung kann dagegen die Geschwindigkeit des Wirbels im Bereich hoher Drehzahlen entsprechend gedämpft und (wie durch die ausgezogene Kurve gezeigt) geregelt werden, während der Wirbel im Gebiet niederer Drehzahlen bei einer entsprechenden Geschwindigkeit gehalten wird. Auf diese Weise werden alle die erwähnten Probleme, die dem Wirbel 5 einer zu hohen Intensität zugeschrieben werden können, gelöst und ein ausreichender Verbrennungsvorgang kann mit idealer primärer und sekundärer Zerstäubung und Brennstoffverdampfung im hohen Drehzahlbereich des Motors erfolgen.

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In der Verbrennungskammer gemäß der Erfindung sind ferner die Mündungen, der Düse 3 so gerichtet, daß die Brennstoff strahlen schief gegen die entsprechenden Seitenteile 7 auftreffen und dadurch abgelenkt werden. jJadurch wird die Ausbildung der Mischung insbesondere mit dem Ablenken der sekundären Brennstoffzerstäubung fühlbar verbessert. Die verbesserte Brennstoffverteilung erhöht die Luftausnutzungsrate und führt zu einer höheren Leistung und einer Verringerung des Gasausstoßes. Da der Abstand 1 zwischen der Düse 3 und der Hohlraumwandung 4- sich ständig ändert, ist es möglich, einen gewünschten Aufprallwinkel für die Brennstoffstrahlen aus der Mehrmündungsdüse 3 gegen die Seitenteile 7 zu wählen und die fläche der Hohlraumwandung 4 mit Brennstoff durch einfaches Einstellen der Öffnungsrichtungen zu den ,Seitenteilen 7 zu benetzen, so daß eine optimale sekundäre Zerstäubung und Verdampfung des Brennstoffs erhalten wird. Dies war bei gewöhnlichen Verbrennungskammern mit kreisrundem Hohlraum niemals durchführbar.

Es ist wichtig, daß die Seitenteile aus geraden Linien oder praktisch geraden feilen gebildet sind, damit sie im Vergleich mit der umgebenden 7/andung des kreisförmigen Hohlraumes nach innen verlaufen und ein zu starkes Ansteigen des -'Zirbel s verhindern und so die Brennst of fstrahlen aus der Düse 3 wirksam ablenken, um die sekundäre Brennstoffzerstäubung einzustellen. Obwohl hier ein dreieckförmiger Hohlraum beschrieben worden ist, können auch mit viereckigen, fünfeckigen und sechseckigen Hohlräumen dieselben vorteilhaften V/irkungen erreicht werden«

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Claims

J 4. APR. 1972

47-1o65 IBUZU MOTORS LIMITED, Tokyo/Japan

Patentansprüche

My !Explosionsmotor mit Zylindereinspritzung mit Verbrennungskammern, von denen jede aus einem Zylinderkopf, einer Zylinderbuchse und einem Kolbenkopf besteht, wobei der Kolbenkopf einen Hohlraum aufweist, in dem der Luftwirbel durch bekannte Einrichtungen erzeugt wird und die Brennstoffeinspritzdüsen praktisch in der Mitte jedes Hohlraumes liegen und mehrere Mündungen besitzen, die die Brennstoffstrahlen radial gegen die Hohlraumwandung richten, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (2) so beschaffen ist, daß die Hohlraumwandung (4) von im allgemeinen kreisrunder Kontur örtlich zur Mitte des Hohlraumes verläuft, um dieselbe Zahl von Seitenteilen (7) wie die der Düsenmündungen Q) zu ergeben, und aus geraden oder nahezu geraden Linien besteht, wobei die Seitenteile in gleichen Abständen angeordnet und untereinander mit bogenförmigen Kurven verbunden sind und so einen mehrfach gelappten oder mehrseitigen Hohlraum ergeben, und daß die Düsenmündungen Q) so gerichtet und angeordnet sind, daß die Brennstoffstrahlen schräg gegen die Seitenteile der Hohlraumwandung auftreffen und dadurch -abgelenkt werden.
2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mehrseitige Hohlraum dreieckförmig ist.
3. Motor nach Anspruch 1_T dadurch gekennzeichnet, daß der mehrseitige Hohlraum viereckförmig| ^ünfejbkförmig oder sechseckförmig ist.

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