DE2241355A1

DE2241355A1 - Hubkolben-brennkraftmaschine, insb. dieselmotor

Info

Publication number: DE2241355A1
Application number: DE2241355A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Elsbett
Original assignee: ELSBETT
Current assignee: ELSBETT
Priority date: 1972-08-23
Filing date: 1972-08-23
Publication date: 1974-02-28
Also published as: JPS5138370B2; SU902677A3; JPS4958205A; SE401709B; DE2241355B2; FR2241988A5; US4015577A; RO68682A; IT993024B; HU172007B; KR780000180B1; DD109249A5; GB1444957A

Description

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Die Erfindung "bezieht sich auf eine Hubkolben-Brennkraftmaschine, inst». Dieselmotor mit jeweils einem zu einem Zylinder bzw. Brennraum führenden Luftführungskanal für eine dadurch zu fördernde Verbrennungsluft, wobei der Luftführungskanal drallbildende Organe aufweist und des-' sen Öffnungsquerschnitt innerhalb vorgegebener Grenzen veränderbar ist sowie die Verbrennungsluft unter Beibehaltung eines von den drallbildenden Organen eingeleiteten Drallbildes um die Achse des Brennraumes rotiert und der Kraftstoff während einer vorgegebenen Einspritzzeit in den rotierenden Luftwirbel eingespritzt wird.

Bei Hubkolben-Brennkraftmaschinen, wie· beispielsweise Dieselmotoren, setzt sich seit einiger Zeit immer mehr die Erkenntnis durch, daß die Anhebung der Leistung der ' Brennkraftmaschine einerseits und die Minderung der nicht verbrannten Kraftstoff-Luftbestandteile andererseits eine Funktion der Ordnung der Luftströmung im Brennraum sowie des Luftausnutzungsgrades, d.h. des sogenannten Liefergrades, an vorhandener Verbrennungsluft zu vorhandenem Kraftstoff ist. Um dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen„ werden die Brennkraftmaschinen zum einen.mit drallbildenden Organen, insb. an deren Ansaugkanälen, und zum andern mit Luftaufladern, sogenannten Turboladern u.a., ausgestattet. Trotz dieser Hilfsmittel läßt sich vielfach die Leistung einer Brennkraftmaschine nicht in allen Lastbereichen anheben, da diese Hilfsmittel in der Regel nur für gängige Lastbereiche optimal ausgelegt werden, wechselnde Lastbereiche hingegen nicht zu erfassen vermögen.

Um jedoch auch einen Teil der wechselnden Lastbereiche zu erfassen, ist es bei einer Brennkraftmaschine bekannt, 'in deren in einem Zylinderkopf vorgesehenen Luftführungskanal, in diesem Fall dem Einlaßkanal _t eine zusätzliche Leitvorrichtung in Form einer Leitschaufel vorzusehen und diese Leitschaufel vorzugsweise verstellbar auszubilden. Die Leitschaufel, die in "einem solchen Fall als Bimetallfeder ausgeführt ist, kann sich bei wechselnden Lastverhältnissen über

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die Änderung der Temperatur an den Ksnalv/ündcn in deren Lage verändern, so daß dadurch ein mehr oder weniger v;oiter Querschnitt dec Luftführungskanals freigegeben wird. Ungeachtet dessen, daß sich die Temperaturvorhrlltnissc bei einer Brennkraftmaschine, insb. einem häufigen Luftwechseln unterv;orfenen Dieselmotor, nicht se schnell rindern, sind mit einer solchen Leitschaufel auch nur gcnz bestirnte Lastbereiche in bestimmten Zeiten erfaßbar. Somit karm. mit einer derart geregelten Leitschaufel nicht in allen Lastbereichen die gewünschte optimale Leistung erzielt werden (DT-AS 2 035 939).

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, 6en Verbrennungsablauf einer Hubkolben-Brennkraftmaschine dahingehend zu verbessern, daß unter v: itestgch'rnder Aufrechterhaltung eines der jeweiligen Brennraumform angcpnßten Drallbildes und eines hohun Liefergrades an Verbrennungsluft in allen Lastbereichen eine Minderung der sehnlichen Verbrennungsrückstände erzielt wird sowie die Verbrennung des Kraftstoffes mit der zur Verfügung gestellten Verbrennungsluft nach eine;m gesteuerten Sauerstoffengebot erfolgt.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß neben einer starken Ausprägung des Dralls der Verbrennungsluft im Brennraum das Sauerstoffangebot während der Verbrennung der Luft mit dem Kraftstoff in der Brennraummitte in allen Lastbereichen der Brennkraftmaschine gering gehalten wird, und daß die, sich an der Brennraunwand haltende, sauerstoffreiche Verbrennungsluft durch die radial fortschreitende Verbrennung erst erfaßt wird, wenn die Temperatur im Brennraum bzw. Zylinder durch die einsetzende Expansion zu fallen beginnt.

Durch diese Maßnahmen wird nicht nur die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe vorteilhaft gelöst, sondern er, wird darüber hinaus neben einer guten Leistung der Brenn-

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kraftmaschine, auch eine,wesentliche Verbesserung des Abgases, insb. im Hinblick auf Stickoxyd-Verbindungen (IIÖ^.) , erzielt, da durch das vorherige Entziehen des Luftsauerstoffes vor der Stickoxyd-Verbindung (NO) sich eine geringere Stickoxyd-Konzentration einstellt. Mit der Verbesserung des Dralls in der erfindungsgemäßen' "Weise wird auch der sogenannte be-Vfert verbessert. Dadurch braucht, um gute '^Abgasergebnisse zu erzielen, nicht auf den sich indessen be\-/ährten Dieselmotor mit Direkteinspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum verzichtet zu v/erden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich ferner dadurch aus, daß der Drall der im Brennraum befindlichen Verbrennungsluft so gesteigert wird, daß mittels einer am Kraftstoffstrahl einsetzenden Verbrennungsfront eine Trennung in einen-heißen, verbrannten inneren Luftwirbel und in einen kalten, noch unverbrannten äußeren .Luftwirbel- erfolgt. .

Außerdem bestellt ein weiteres Merkmal der Erfindung darin, daß der Kraftstoff in Richtung des drehenden Luftwirbels so eingespritzt .wird, daß dessen Strahl den Schwerkreis des Luftwirbels tangiert und der Tangierungspunkt in der senkrechten Projektion des Brennraumes auf einer gleichen, waagrechten Achse wie der Mittelpunkt des Brennraumes liegt.

Um der in den Brennraum einschießenden Verbrennungsluft eine hohe Geschwindigkeit und somit auch einen hohen Drall zu geben, ist gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung im Luftführungskanal eine bis zur Ventilführung des Einlaßventils reichende Leitschaufel vorgesehen. Diese Leit- · schaufel kann in einer bevorzugten Ausführungsform der . Erfindung sowohl der Form'des Luftführungskanals angepaßt als auch um eine Achse schwenkbar gelagert sein.

Die Anwendung einer solchen Leitschaufel im Luftführungskanal und hier im Einlaßkanal einer Brennkraftmaschine,

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hat den Vorteil, daß der Kanalquerschnitt von einer für optimal erachteten Stelle an stetig "verändert werden kann, so daß bei entsprechender Einstellung der Leitschaufel ihr der Ventilführung zugewandtes Ende eine düsenförmige Öffnung bildet, durch die die Verbrennungsluft mit hoher Geschwindigkeit in den Brennraum bzw. Zylinderraum eingeleitet wird.

Damit die' Leitschaufel den sich ständig ändernden Lastbereichen angepaßt werden kann, kann diese von der Belastung der Brennkraftmaschine oder deren Rauchentwicklung abhängig geregelt sein.

Diese beiden Reglungsarten der Leitschaufel erlauben eine stetige Anpassung derselben an die sich laufend ändernden Luftverhältnisse, so daß auch die Verbrennung des Kraftstoffes mit der Verbrennungsluft in allen Lastbereichen optimal gestaltet werden kann.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsmittelschnitt durch einen Kolben mit einem in diesem vorgesehenen, rotationssymmetrischen Brennraum,

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Kolben und den Brennraum nach Fig. 1 und

Fig. 3 eine Draufsicht durch einen geschnittenen Luftführungskanal mit einer in diesem schwenkbar gelagerten Leitschaufel.

Bei einer Brennkraftmaschine, von der in der Zeichnung nur ein im Kolben 1 liegender Brennraum 2 und ein in einem Zylinderkopf 3 untergebrachter und als Einlaßkanal 4 ausgeführter Luftführungskanal für eine Verbrennungsluft 5 vorgesehen ist, wird die dem Brennraum zuzuführende Ver-

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brennungsluft durch den Einlaßkanal mit besonders hohem Drall in den Brennraum eingebracht. Um dieser, in den Brennraum 2 einzubringenden Verbrennungsluft 5 den hohen Drall um die Zylinder- bzw. Brennräumachse χ zu geben, sind im Einlaßkanal 4 drallbildende Organe vorgesehen, so daß die diese Organe passierende Luft in eine Umlaufbahn um die Brennraumachse gebracht A7ird.

Wie eingehende Versuche gezeigt haben, ist es für eine optimale Verbrennung der im Brennraum 2 eingebrachten Verbrennungsluft 5 mit einem ebenfalls in den Brennraum eingespritzten Kraftstoff 7 wesentlich, wenn an der vorhandenen Verbrennungsluft nur so viel Kraftstoff gebunden wird, wie für dessen Verbrennung, unter Ausschaltung von giftigen Abgaben und Ruß, erforderlich ist. Dabei ist zu beachten, daß zum Ausschalten von Verbrennungsrückständen, beispielsweise in Form von Kohlenmonoxyd-Verbindungen (CO) eine gute Durchmischung des Kraftstoffes 7 mit ausreichender Verbrennungsluft .5 notwendig ist; zum Ausschalten von Kohlenwasserstoff-Verbindungen (CH) Sauerstoffmangel vermieden werden muß; hingegen zur Vermeidung von Stickoxyd-Verbindungen (NO X hohe Temperaturen bei SauerstoffÜberschuß ausgeschaltet sein müssen sowie schließlich Rußbildung dann verhindert werden kann, wenn Kraftstoff 7 nicht an schon verbrannte Verbrennungsluft 5 gebunden wird. Unter Beibehaltung dieser, an sich bekannten Erkenntnisse, ist der Verbrennuiigsablauf so zu gestalten, daß bei einer effektiven Durchmischung von Kraftstoff 7 und Verbrennungsluft 5, die Verbrennung bei relativ hohen Temperaturen, jedoch ohne großes Sauerstoffangebot stattfindet. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß die im Brennraum 2 um die Brennraumachse χ rotierende Verbrennungsluft 5 durch den in den Brennraum eingespritzten Kraftstoff 7 in einen äußeren und einen inneren Luftwirbel 8, 9 geteilt, von denen der innere Luftwirbel 8 innerhalb eines Schwerkreises 10 und der äussere Luftwirbel 9 außerhalb dieses Schwerkreises sich* befinden. Der Schwerkreis 10, dessen Lage durch den Bereich unterschiedlicher Wichte der Verbrennungsluft 5 bestimmt ';■ A 0 980 9/03 U ^r > ./.

wird, bestimmt auch die Ebene, in die der Kraftstoff 7 in den Brennraum 2 eingespritzt wird. Hierbei berührt der Strahl des Kraftstoffes 7 den Schwerkreis 10 an einem sogenannten Tangierungspunkt 11. Die Lage dieses Tangierungspunktes 11 ergibt sich aus .dessen senicrechten Projektion in der Weise, daß dieser Tangierungspunkt vorzugsweise in einer waagrechten,durch den Mittelpunkt 12 des Brennraumes 2 führenden Achse liegt; Die Trennung der rotierenden Luftwirbel S, 9 in einem äußeren und einem inneren, welche durch den Strahl des Kraftstoffes 7 vorgenommen v/ird, setzt durch die Verbrennung ein, und zwar in der Art, daß bei Brennbeginn das brennende Gemisch durch Wichteändörung zum Mittelpunkt 12 des Brennraumes 2 - also nach innen strömt, während der noch kalte schwere Luftwirbel 9 außerhalb des Schwerkreises 10 an der Brennraumwand 13 rotiert (Fig. 1 und 2). Durch den Verbrennungsvorgang wird dem brennenden Kraftstoff-Luftgemisch der Sauerstoff entzogen, so daß die Verbrennung innerhalb des Schwerkreises 10 unter einem gewissen Sauerstoffmangel abläuft und demzufolge eine Stickoxyd-Verbindung nicht möglich ist. Da auch die Temperaturen nach erfolgter Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches innerhalb des Schwerkreises 10 absinken und diese Temperaturen auch bei fortschreitender Vermischung der verbrannten Kraftstoff-Luftbestandteile mit der außerhalb des Schwerkreises rotierenden, kälteren Verbrennungsluft 5 noch weiter absinken, wird die Verbrennung des äußeren Luftwirbels 9 unter geringeren Temperaturen erfolgen, was ebenfalls die Bildung von insbesondere Stickoxyd-Verbindungen verhindert. Der äußere, außerhalb des Schwerkreises 10 rotierende Luftwirbel 9 wird von der radial sich ausbreitenden Verbrennung des Feuerkerns aus dem Mittelpunkt 12 des Brentträumes 2 erst erfaßt, wenn die Expansion im Zylinder 14 bzw. im Brennraum eingesetzt hat, so daß ein Temperaturanstieg verhindert v/ird. Damit verbrennt der äußere Luftwlrbel 9 bei einer geringeren Temperatur, die noch so gering ist, daß diese für die Entstehung von Stickoxyd-Verbindungen nicht mehr ausreicht.

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Eine Möglichkeit, den hohen Drall der Verbrennungsluft 5 zu erzeugen, um durch' die darauf erfolgende Trennung der Luftwirbel 8, 9 das Entstehen, von insbesondere Stickoxyd und dessen Verbindungen zu verhindern, liegt in der Gestaltung einer veränderbaren Luftführung im Einlaßka- nal 4. Der Einlaßkanal 4, der im Zylinderkopf 3der Brennkraftmaschine vorgesehen ist, weist eine vorzugsweise gekrümmte Form auf und kann sich von einer Ansaugleitung bis zu einer in den Zylinder 14 mündenden, jedoch in der Zeichnung nicht dargestellten Ventilsitzöffnung, erstrekken. In diesem Einlaßkanal 4 ist eine Leitfläche 16 für die in den Zylinder 14 einzuführende Verbrennungsluft 5 vorgesehen, die je nach deren Ausführung starr oder schwenkbar im Einlaßkanal eingebracht ist. Diese Leitfläche 16, die bis zu einer Ventilführung 17 reicht, kann um eine Achse 18 im Einlaßkanal 4 so geschwenkt werden, daß entsprechend der Belastung oder der Rauchentwicklung der Brennkraftmaschine ein mehr oder weniger weiter Kanalquerschnitt freigegeben wird; Um diesen Drall der in den Brennraum 2 einzubringenden Verbrennungsluft 5 besonders zu erhöhen, kann das freie Ende der Leitfläche 16 je nach den.Erfordernissen, zur Ventilfülirung 17 hin oder entgegengesetzt zu dieser geringfügig aus der übrigen Ebene der Leitfläche gekrümmt sein, wie dies beispielsweise in Fig. 3 dargestellt ist. Die Leitfläche 16 selbst kann mittels eines besonderen Gestänges 19 um deren Achse 18 so in Richtung des Doppelpfeiles 20 geschwenkt werden, daß die Verbrennungsluft 5 in Richtung der Pfeile 21 in den Zylinder 14 einläuft. Die Betätigung des Gestänges 19 und somit der Leitfläche 16 kann rauchabhängig oder leistungsabhängig erfolgen.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1./Hubkolben-Brennkraftmaschine, insb. Dieselmotor, mit jeweils einem zu einem Zylinder bzw. Brennraum führenden Luftführungskanal für eine dadurch zu fördernde Verbrennungsluft, wobei der Luftführungskanal drallbildende Organe aufweist und der Öffnungsquerschnitt des Kanals innerhalb vorgegebener Grenzen veränderbar ist sov/ie die Verbrennungsluft unter Beibehaltung eines von den drallbildenden Organen eingeleiteten Drallbildes um die Achse des Brennraumes rotiert und der Kraftstoff während einer vorgegebenen Einspritzzeit in den rotierenden Luftwirbel eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß neben einer starken Ausprägung des Dralls der Verbrennungsluft (5) im Brennraum (2) das Sauerstoffangebot während der Verbrennung der Luft mit dem Kraftstoff

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(7) in der Brennraummitte (12) in allen Lastbereichen der Breiinkraftmaschine gering gehalten wird, und daß die sich an der Brennraumwand (13) haltende, sauerstoff reiche Verbrennungsluft (5) durch die radial fortschreitende Verbrennung erst erfaßt-wird, wenn die.Temperatür im Brennraum bzw. Zylinder (14) durch Expansion zu fallen beginnt.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drall der im Brennraum (2) befindlichen Verbrennungsluft (5) so gesteigert wird, daß mittels einer am Strahl des Kraftstoffes (7) einsetzenden Verbrennungsfront eine Trennung in einen heißen, verbrannten inneren Luftwirbel (8) und in -einen kalten, noch unverbrannten äußeren Luftwirbel (9) erfolgt. ■

3. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff (7) in Richtung der drehenden Luftwirbel (8, 9) so eingespritzt wird, daß dessen Strahl den Schwerkreis (.10) der Verbrennungsluft (5) tangiert und der Tangierungspunkt (11) in der senkrechten Projektion des Brennraumes (2) auf einer gleichen, waagrechten Achse wie der Mittelpunkt (12) des Brennraumes liegt,

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Luftführungskanal (4) eine bis zur Ventilführung (17) reichende Leitfläche (16) vorgesehen ist.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichr net, daß die Leitfläche (Ί6) sowohl der Form des Luft- "' führungskanals (4) angepaßt .als auch um eine Achse (·18)

_; schwenkbar gelagert ist.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende der Leitfläche (16) im Bereich der Ventilführung (17) düsenartig ausgeführt ist und in eine Ventilsitzöffnung bzw. Zylinder (14) mündet.

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7. Brennkraftraaschine nach den Ansprüchen 1, 4 \nd 5,
dadurch gekennzeichnet_t daß die Leitfläche (16) von
der Belastung der Brennkraftmaschine abhängig ui.i ihre Achse (13) schwenkbar ist.

8. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1, h und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitfläche (16) von i\cr Rauchentwicklung der Brennkraftmaschine abhängig ur-.i
ihre Achse (18) schwenkbar ist.

9. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 5, 7 und B, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (18) der Leitflüche (16) mit einem Verstellantrieb (Gestänge 19) verbunden ist und daß dieser Antrieb last- oder rauch&bhängig betätigbar ist.

10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das freie, der Ventilführung zugewandte Ende der Leitfläche (16) aus der übrigen Leitflächenebene herausgebogen ist.

11. Brennkraftraaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der Leitfläche (16) von der
Ventilführung (17) abgewandt, gebogen ist.

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SAO ORIGINAL