DE2241355B2 - Hubkolben-brennkraftmaschine, insbesondere dieselmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hubkolben-

Brennkraftmaschine, insbesondere Dieselmotor, mit jeweils einem zu einem Zylinder bzw. Brennraum führenden Luftführungskanal für eine dadurch zu fördernde Verb!«nnungsUift, wobei der Luftführangskanal drallbfldende Organe aufweist und dessen Offnungs-

querschnitt innerhalb vorgegebener Grenzen veränderbar ist sowie die Verbreiuruigsluft unter Beibehaltung eines von den drallbildenden Organen eingeleiteten Drailbildes um die Achse des Brennraumes rotiert und der Kraftstoff während einer vorgegebenen Einspritzzeit in den rotierenden Luftwirbel eingsspritzt 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-Luft-Bestandteile andererseits eine Funktion der Ordnung der Luftströmung im Brennraum sowie des Luftausnutzungsgrades, d.h. des sogenannten Lüefergrades, an vorhandener Verbrennungsluft zu vorhandenem Kraftstoff ist Um dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen, werden die Brennkraftmaschinen zum einen mit drallbildenden Organen, insbesondere an deren Ansaugkanälen, und zum anderen 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 (DT-OS 15 76 014).

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

so Einlaßkanal, 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 die

ss Änderung der Temperatur an den Kanalwänden in deren Lage verändern, so daß dadurch ein mehr oder weniger weiter Querschnitt des Luftführungskanals freigegeben wird. Ungeachtet dessen, daß sich die Temperaturverhältnisse bei einer Brennkraftmaschine, insbesondere einem häufigen Lastwechseln unterworfenen Dieselmotor, nicht so schnell ändern, sind mit einer solchen Leitschaufel auch nur ganz bestimmte Lastbereiche in bestimmten Zeiten erfaßbar. Somit kann mit einer derart geregelten Leitschaufel nicht in alien

6s Lastbereichen die gewünschte optimale Leistung erzielt werden (DT-AS 20 35 939).

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Verbrennungsablauf einer Hubkolben-Brenn-

kraftmaschine dahmgehend zu verbessern, daß unter «ehestgehender Aufrechteriialnmg eines der jeweiligen Brennrauinfonn sngepaßten Drallbilde? and eines hohen Liefergrades an Verbrennungshiit in allen Lastbereichea eine Minderong der schädlichen V«rbrcnnungsruckstände erzielt wird same die Verbrennung des Kraftstoffes mit der zur Verfügung $esteUfen Verbrennungsluft nach einem gesteuerten Sauerstoffangebot 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 an Brennraum das Sauerstoffangebot während der Verbrennung der Luft mit dem Kraftstoff in der Brennraummitte in aBen Lastbereichen der Brennkraftmaschine gering gehaben wird und daß die sk^ an der Brennranmwand 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 es wird darüber hinaus neben einer guten Leistung der Brennkraftmaschine auch eine wesentliche Verbesserung des Abgases, insbesondere im Hinblick auf Stickoxyd-Verbindungen (NO_xX erzielt, da durch das vorherige Entziehen des Luftsauerstoffes vor der Stickoxyd-Verbindung (NO) sich eine geringere Sttckoxyd-Konzentration einstellt Mit der Verbesserung des Dralls in der erfindungsgemäßen Weise wird auch der sogenannte be-Wert verbessert Dadurch braucht, um gute Abgasergebnisse zu erzielen, nicht auf den sich indessen bewährten Dieselmotor mit Direkteinspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum verzichtet zu werden.

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 besteht ein weiteres, die Erfindung zweckmäßig ausbildendes Merkmal darin, daß der Kraftstoff in Richtung der drehenden Luftwirbel 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 einschließenden Verbrennungsluft eine hohe Geschwindigkeit und somit auch einen hohen Drall zu geben, ist gemäß einem weiteren zweckmäßigen Merkmal im Luftführungskanal eine bis zur Ventilführung des Einlaßventils reichende Leitschaufel vorgesehen. Diese Leitschaufel kann in einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung sowohl der Form des Luftführungskanals angepaßt als auch um eine Achse schwenkbar gelagert seia

Die Anwendung einer solchen Leitschaufel im Luftführungskanal und hier im Einlaßkanal einer Brennkraftmaschine hat den Vorteil daß der Kanalquerschnitt von einer rar 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 sieh ständig ändernden Las&ereichen angepaßt werden kann, kann diese von der Belastung der Brennkraftmaschine oder deren Rauchentwicklung abhängig geregeltsein.

Diese beiden Reghmgsarten, 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 vorgesehen, 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 Verbrennungsluft 5 vorgesehen ist, wird die dem Brennraum zuzuführende Verbrennungsluft 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. Brennraumachse χ zu geben, sind im Einlaßkanal 4 drallbildende Organe 6 vorgesehen, so daß die diese Organe passierende Luft in eine Umlaufbahn um die Brennraumachse gebracht wird.

Wie eingehende Versuche gezeigt haben, ist es für eine optimale Verbrennung der im Brennraum 2 eingebrachten Verbrennungsluft 5 mit ebenfalls in den Brennraum eingespritzem Kraftstoff 7 wesentlich, daß 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 S notwendig ist zum Ausschalten von Kohlenwasserstoff-Verbindungen (CH) Sauerstoffmangel vermieden werden muß. hingegen zur Vermeidung von Stickoxyd-Verbindungen (NO,) 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 Verbrennungsablauf 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 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 S bestimmt 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 U ergibt sich aus dessen senkrechter 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 8,9 in einen äußeren und einen inneren, welche durch den Strahl des Kraftstoffes 7 vorgenommen wird, setzt durch die Verbrennung ein, und zwar in der Art daß bei Brennbeginn das brennende Gemisch durch Wichteänderung 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 (F i g. 1 und 2). Durch den Verbrennungsvorgang wird dem brennenden Kraftstoff-Luft-Gemisch der Sauerstoff entzogen, so daß die Verbrennung innerhalb des Schwerkreises 10 unter einem gewissen Sauerstoffmangel ablüuft und demzufolge eine Stickoxyd-Verbindung nicht möglich ist Da auch die Temperaturen nach erfolgter Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches innerhalb des Schwerkreises 10 absinken und diese Temperaturen auch bei fortschreitender Vermischung ₂<; der verbrannten Kraftstoff-Luft-Bestandteile mit der außerhalb des Schwerkreises rotieren, kälteren Verbrennungsluft S 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 Brennraumes 2 erst erfaßt, wenn die Expansion im Zylinder 14 bzw. im Brennraum eingesetzt hat so daß ein Temperaturanstieg verhindert wird. Damit verbrennt der äußere Luftwirbel 9 bei einer geringeren Temperatur, die so gering ist, daß diese für die Entstehung von Stickoxyd-Verbindungen nicht mehr ausreicht

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 Einlaßkanal 4. Der Einlaßkanal 4, der im Zylinderkopf 3 der Brennkraftmaschine vorgesehen ist, weist eine vorzugsweise gekrümmte Form auf und kann sich von einer Ansaugleitung 15 bis zu einer in den Zylinder 14 mündenden, jedoch in der Zeichnung nicht dargestellten Ventilsitzöffnung, erstrecken. In diesem Einlaßkanal 4 ist eine Leitfläche 16 für die in den Zylinder 14 einzurührende 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 Ventilführung 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

1. Patentansprüche:

   ™^|w^>. insbesondere

   ·■■*, Dieselmotor, mit jeweils einem zn einem Zylinder bzw. Brennraum Ehrenden Luftffihrungskanal tür seine dadurch zu fikdernde Verbrennungsluft, wobei der Luftfuhningsfcanal draUbüdende Organe aufweist und der flffraTfgyyffifyhffitt des Kanals innerhalb vorgegebener Grenzen veränderbar ist sowie die Verbrennungsluft unter Beibehaltung eines von den draSbDdenden Organen angeleiteten Prallbildes um die Achse des Brennraumes rotiert und der Kraftstoff während einer vorgegebenen Einspritzzcit in den rotierenden Luftwirbel eingespritztwird, dadurch gekennzeichnet, daß neben enter starken Ausprägung des Dralls der Verbrennungsluft (5) im Brennraum (2) das SauerstofEangebot wijfarend der Verbrämung der Luft nut dem Kraftstoff (7) in der Brennraummitte (12) in •Ilen Lastbereichen der Brennkraftmaschine gering gehalten wird, und daS die sich an der Brennraumwand (13) haltende, sauerstoffreiche Verbrennungsluft (5) durch die radial fortschreitende Verbrennung erst erfaßt wird, wenn die Temperatur im Brennraum bzw. Zylinder (14) durch Expansion zu fallen beginnt
2. 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. 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 (S) tangiert und der Tangierungspunkt (U) in der senkrechten Projektion des Brennraumes (2) auf einer gleichen, waagrechten Achse wie der Mittelpunkt (12) des Brennraumes liegt
4. 4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Luftführungskanal (4) eine bis zur Ventilführung (17) reichende Leitfläche (16) vorgesehen ist
5. 5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitfläche (16) sowohl der Form des Luftführungskanals (4) angepaßt als auch um eine Achse (18) schwenkbar gelagert ist
6. 6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende der Leitfläche (16) im Bereich der VentUführung (17) düsenartig ausgeführt ist und in eine Ventilsitzöffnung bzw. den Zylinder (14) mündet
7. 7. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1,4 und S, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitfläche (16) von der Belastung der Brennkraftmaschine abhängig um ihre Achse (13) schwenkbar ist
8. 8. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1,4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitfläche (16) von der Rauchentwicklung der Brennkraftmaschine abhängig um ihre Achse (18) schwenkbar ist
9. 9. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 5,7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (18) der Leitfläche (16) mit einem Verstellantrieb (Gestänge 19) verbunden ist und daß dieser Antrieb toderfau^aW*g8g
10. ία BrennfaiJOnaschme nach Ansprach 6, dadurch gekennzeichnet, daß das feeie, der Ventöfühning zugewaiidteEndederLeitflächeiie) aus der übrigen LehUachenebene herausgebogen ist
11. 11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der Leitfläche (16) von der Veotflführung (17) abgewandt gebogen ist