DE2343023A1

DE2343023A1 - Verbrennungskammer eines einspritzdieselmotors

Info

Publication number: DE2343023A1
Application number: DE19732343023
Authority: DE
Inventors: Motoyasu Kimbara; Yoshitaka Yoshida
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1972-08-25
Filing date: 1973-08-25
Publication date: 1974-03-21
Also published as: US3872841A; AU5961573A; DE2343023B2; AU453932B2; CA992415A; FR2197412A5; GB1439662A

Description

24. August 1973-IG/bü 1-2-10226 M ISUZU MOTORS LIMITED:

Minami-ooi 6-chome,
Shinagawa-ku, Tokyo/Japan

Verbrennungskammer eines Einspritz-Dieselmotors

Eine Verbrennungskammer eines üblichen Dieselmotors für direkte Treibstoffeinspritzung ist in Fig. 1A und 1B beigefügter Zeichnungen gezeigt. Die Verbrennungskammer setzt sich meist aus einer Höhlung C in der Oberseite eines Kolbens P und aus einem Raum zwischen der Oberseite des Kolbens P^ einem Zylinderkopf H und einer Zylinderlaufbahn L zusammen. In der Draufsicht bzw. im Querschnitt besitzt die Hölung C im allgemeinen Kreisform. Eine Treibstoffeinspritzdüse N ist an den Zylinderkopf befestigt und ragt mit ihrem Kopfteil in den oberen Abschnitt der Verbrennungskammer am Zentrum der Höhlung. Am Kopfteil der Düse N sind eine Reihe Bohrungen 0 ausgebildet, die sich in radialer Richtung öffnen und durch die in Zeitintervallen abgemessene Treibstoffmengen gegen die innere Umfangswand W der Höhlung gespritzt werden.

Zur Verbesserung der Verteilung und / oder Zerstäubung des eingespritzten Treibstoffs und zur Förderung der Vermischung des Treibstoffs mit der angesaugten Luft ist in der Höhlung C eine übliche Einrichtung wie z.B. ein spiralförmiger Durchlaß, eine Richtungsöffnung oder ein Hüllrohr (shroud valve) vorgesehen, die eine Wirbelbewegung S der Ansaugluft bewirkt.

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In solch einer kreisförmigen Höhlung C wird der von den Düsenbohrungen 0 abgegebene Treibstoffstrahl in der in Fig. 2 gezeigten Weise verteilt und zerstäubt. Der aus den Düsenbohrungen O austretende Haupttreibstoffstrahl F trifft auf die Innenwand W der Höhlung C auf und wird dann in Strahlen f· und f'' auf der Abström- bzw. Anströmseite mit Bezug auf die Richtung der Wirbelbewegung S aufgeteilt. Der zur Anströmseite reflektierte Treibstoffstrahl f'' wird von der Wirbelbewegung S zurück in den Hauptstrahl F mitgerissen. Der zur Abströmseite reflektierte Treibstoffstrahl f' wird dagegen von der Wirbelbewegung S so stark mitgenommen, daß er zu dem benachbarten Treibstoffstrahl der Anströmseite gelangt. Das Ergebnis ist, daß örtlich dort ein überreiches Gemisch entsteht, wo die zwei reflektierten Treibstoffstrahlen von zwei benachbarten Düsenbohrungen aufeinandertreffen, während an allen übrigen Orten ein übermäßig mageres Gemisch sich einstellt. Die sich ergebende Treibstoffverteilung und -zerstäubung ist damit unbefriedigend. Zur Verbesserung der Treibstoffvermischung wurde der Vorschlag gemacht, die Stärke der Wirbelbewegung S zu erhöhen. Selbst bei nichtverstärkter Wirbelbewegung S stellt sich an einigen Orten ein Gemisch mit richtigem Luft-Treibstoffverhältnis ein, das sich zum Zünden der Verbrennung eignet. Wenn daher zur Verbesserung der Treibstoffverteilung und -zerstäubung die Wirbelbewegung S erhöht wird, dann findet örtlich dort eine plötzliche Verbrennung statt, wo ein richtiges Mischungsverhältnis besteht. Diese plötzliche Verbrennung hat örtlich Hitzestellen zur Folge,in denen große Mengen Stickoxyde (NO_x) gebildet werden. Das gebildete NO wird dann mit den Abgasen des betrachteten Dieselmotors abgegeben. Ist andererseits die Wirbelbewegung S sehr stark, dann kann das umgekehrte Wirbel- oder Quetsch-(squish) Q Phänomen, das festgestellt werden kann, nachdem der Kolben P den oberen Totpunkt erreicht hat, nicht wirkungsvoll verwendet werden, hervorzurufen, daß der eingespritzte Treibstoff in der Höhlung C eingesperrt ist. Dadurch wird ein ther-

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misches Klemmen verursacht, was zu einer Verschlechterung der Verbrennung in der Verbrennungskammer führt.

Wie leicht verständlich, können andererseits, wenn die Wirbelbewegung S übermäßig schwach ist, der Haupttreibstoffstrahl F und die reflektierten Treibstoffstrahlen f und f'' sich nicht weit in der Höhlung G verbreiten. Der Treibstoff kann demgemäß weder ausreichend verteilt noch zerstäubt werden, so daß er ungenügend mit der Ansaugluft vermischt wird. Dies ist mit einer Verschlechterung der Verbrennung verbunden, was in unerwünschtem Maße zu einer Verminderung der Abtriebsleistung und zu einer Erhöhung schädlicher Abgase, wie Kohlenmonoxyde (CO), Kohlenwasserstoffe (HC) oder zu Rußbildung führt. Wenn sich die Stärke der Wirbelbewegung S bei einer Erhöhung der Motordrehzahl vergrößert, dann kann diese Stärke ebenfalls nicht ausreichend sein, da eine Wirbelbewegung S mit einer geeigneten Stärke für eine Motordrehzahl nicht immer für eine andere Motordrehzahl geeignet sein muß.

Mit vorliegender Erfindung soll die Verbrennungskammer eines Einspritz-Dieselmotors so ausgestaltet werden, daß obige Nachteile entfallen. Insbesondere soll die Verbrennungskammer so ausgebildet werden, daß ein Reibungswiderstand für die Wirbelbewegung der Ansaugluft erzeugt wird, damit die Stärke der Wirbelbewegung proportional zur Motordrehzahl gesteuert wird und die Abgabe von NO Abgasen, die sonst bei Vergrößerung der Wirbelstärke ansteigen könnte, vermindert wird.

Die Verbrennungskammer eines Einspritz-Dieselmotors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Höhlung eine innere Umfangswand aufweist, die sich aus vier oder acht flachen inneren Seitenwänden, die im horizontalen Querschnitt geradlinig sind, gleiche Länge besitzen und Jeweils senkrecht aufeinander zulaufen, sowie aus vier bzw.

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acht inneren Eckenwänden zusammensetzt, die im horizontalen Querschnitt im wesentlichen einen Bogen beschreiben, zwischen je zwei benachbarten inneren Seitenwänden angeordnet sind und einen solchen Bogenradius besitzen, daß das Verhältnis des Bogenradius zum Radius eines innerhalb der Seitenwände einbeschriebenen Kreises im Bereich zwischen 0,4-0 und 0,75 liegt, und daß die Treibstoffeinspritzrichtung jeder der Düsenbohrungen so festgelegt ist, daß jeder Treibstoffstrahl unter einem schrägen Winkel gegen eine der Seitenwände der Höhlung auftrifft.

Dieser Schrägwinkel der Treibstoffeinspritzrichtung liegt, gemessen von einer Bezugslinie, die den Mittelpunkt des einbeschriebenen Kreises mit dem Schnittpunkt der Verlängerung der Seitenwände verbindet, in einem Bereich mit Ausnahme von 40° bis 55°j vorteilhaft jedoch in einem Bereich von 5° bis 25°.

Bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskammer wird ein Haupttreib stoff strahl so in die Verbrennungskammer eingespritzt, daß er unter einem vorbestimmten Einspritzwinkel auf eine flache innere Seitenwand der Höhlung auftrifft. Die Reflektionsstrahlen des Hauptstrahls verbessern die Verteilung und / oder Zerstäubung des Treibstoffs, ohne daß die Wirbelbewegung der Ansaugluft übermäßig verstärkt wird. Damit wird ein verbrennba— res Gemisch mit einem richtigen Luft-Treibstoffverhältnis erhalten. Ein Dieselmotor mit einer erfindungsgemäßen Verbrennungskammer enthält in seinen Abgasen nur minimal Schadstoffe wie Kohlenmonoxyde (CO), Kohlenwasserstoffe (HO) oder Ruß. Ein Dieselmotor mit einer erfindungsgemäßen Verbrennungskammer ist leicht und sanft zu Starten. Er läuft ruhig und besitzt eine hohe Leistung.

In der erfindungsgemäßen Verbrennungskammer wird ein Verbrennungsgemisch mit einem richtigen Luft-TreibStoffverhältnis erhalten,

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ohne daß zu einer Vorkammer oder Wirbelkammer gegriffen werden müsste·

Ein Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung wird nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

Pig. 1A eine Draufsicht einer üblichen Verbrennungskammer mit einer kreisförmigen Höhlung in der Oberseite eines Kolbens;

Fig. 1B einen Längsschnitt der Verbrennungskammer von Fig. 1A längs der Linie IB - IB in Fig. 1A;

Fig. 2 einen vergrößerten Teil von Fig.1A zur Darstellung der Einspritzwege;

Fig.5A eine Draufsicht einer erfindungsgemäßen Verbrennungskammer mit einer quadratischen Höhlung in der Kolbenoberseite;

Fig. 3B einen Längsschnitt der erfindungsgemäßen Verbrennungskammer entlang der Linie IHB -IHB in Fig. 3A;

Fig. 4- einen vergrößerten Teil von Fig. 3A zur Darstellung der Einspritzwege;

Fig. 5 ein Schaubild zur Darstellung der Motorleistung mit einer erfindungsgemäßen Verbrennungskammer; und

Fig. 6 ein Schaubild der Motorleistung in Abhängigkeit eines anderen Faktors bei einer erfindungsgemäßen Verbrennungskammer.

Die Erfindung wird nunmehr anhand der Fig. 3A und 3B beschrieben. Wie gezeigt, ist an der Oberseite eines Kolbens 2 eine im horizontalen Querschnitt quadratische Höhlung 1 ausgebildet. Die innere Umfangswand der Höhlung setzt sich aus vier flachen inneren Seitenwänden X zusammen, die im horizontalen Querschnitt geradlinig verlaufen, die gleiche Länge besitzen und jeweils senkrecht aufeinander zulaufen. Benachbarte innere Seitenwände

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sind jeweils durch, eine innere Eckenwand Y verbunden, die im horizontalen Querschnitt einen Bogen beschreibt. Am Zylinderkopf 4 ist eine Treibstoffeinspritzdüse 3 so befestigt, daß deren Kopf abschnitt im Zentrum der Höhlung 1 in den oberen Abschnitt der "Verbrennungskammer ragt. In dem Kopfabschnitt der Düse 3 sind symmetrisch 4- oder 8 Bohrungen 5 angeordnet, die sich radial in die Verbrennungskammer öffnen, um in Zeitabständen abgemessene Treibstoffstrahlen in die Höhlung 1 gegen deren innere Umfangswände zu richten.

Die Detailbeschreibung vorliegender Erfindung erfolgt nachstehend in Verbindung mit Fig. 4, in der in strichpunktierten Linien innerhalb die inneren Seitenwände X ein Kreis D mit dem Radius R einbeschrieben ist. Der Radius der inneren Eckenwände Y ist mit r beszeichnet. Das Verhältnis der Radix 'r zu R soll in vorliegender Erfindung innerhalb einen vorbestimmten Bereich, nämlich zwischen 0,4 und 0,75 fallen. Im Vergleich zur Kontur der erfindungsgemäßen quadratischen Höhlung 1 ist eine übliche kreisförmige Höhlung C,die das gleiche Volumen wie vorliegende Höhlung 1 besitzt und in Fig. 4 in strichpunktierten Linien angedeutet ist, an den den inneren Eckenwänden Y entsprechenden Abschnitten radial auswärts konvex und an den den zentralen Abschnitten der inneren Seitenwände X entsprechenden Abschnitten um einen Abstand radial einwärts konkav. Diese einwärts konkaven Abschnitte behindern die Wirbelbewegung S, wie in der Beschreibungseinleitung in Verbindung mit den Fig. 1A und 1B beschrieben worden ist.

Bei vorliegender quadratischer Höhlung 1 wird, wenn die Intensität der Wirbelbewegung S für eine niedrige Motordrehzahl auf einer geeigneten Höhe ist, neben den flachen inneren Seitenwänden X eine Reibungskraft begründet, deren Stärke mit der Motordrehzahl ansteigt und die auf den benachbart äußersten Abschnitt der Wirbelbewegung S einwirkt. Diese Reibungskraft hemmt oder

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vermindert die Wirbelbewegung S. In Übereinstimmung mit der Gasdynamik kann veranschlagt werden, daß die Hemmwirkung auf die Wirbelbewegung S proportional der Geschwindigkeit der Wirbelbewegung S ist. Aufgrund dieser Überlegungen wird leicht verständlich, daß je mehr die Wirbelbewegung S durch die Erhöhung der Motordrehzahl angehoben wird, desto stärker die Wirkung der inneren Seitenwände X wird und demgemäß die Wir-' belbewegung S selbst eine Intensivierung erfährt. Die Verteilung und Zerstäubung des TreibstoffStrahls kann demgemäß ohne Einfluß der Motordrehzahl durch die Wirkung der Wirbelbewegung S im wesentlichen auf einer geeigneten Höhe gehalten werden. Dies zeigt sich an der Verkleinerung der NO Abgabe, die andernfalls mit der Erhöhung der Wirbelbewegung S vergrößert werden würde, wie bereits beschrieben.

Ein bedeutender Faktor, der wesentlichen Einfluß auf die Hemmung der Wirbelbewegung S ausübt, ist das Verhältnis des Radius r der Eckenwände Y zum Radius R des einbeschriebenen Kreises D. Eidgeeigneter Wert für das Verhältnis r /R kann empirisch gewonnen werden, wie in Fig. 5 gezeigt, in der eines der Maße der Motorleistung gegen das Radiusverhältnis r/R aufgetragen ist. Dieses Maß ist solch ein Wert (ppm/P ) des HO -Gehaltes (ppm) in den Motorabgase^ der durch die Motorabtriebsleistung geteilt ist, welche als Durchschnittswert des Motordrucks (P ) ausgedrückt ist. Nur zum Zwecke des Vergleichs ist eine andere Motorleistung in gestrichelten Linien für die übliche kreisförmige Höhlung aufgetragen. Aus diesen graphischen Darstel lungen ergibt sich, daß die zur Diskussion stehende Motorleistung drastisch verbessert wird, wenn das Radiusverhältnis r/R in einen Bereich zwischen 0,4- und 0,75 fällt. Das bedeutet, daß, wenn für das Radiusverhältnis obige Bereiche gewählt werden, die Dämpfung der Wirbelbewegung wirkungsvoll erfolgt, um die Verteilung und Zerstäubung der Treibstoffstrahle zu fördern, so daß die Motorabtriebsleistung erhöht und die NO -Abgabe ver-

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mindert wird. Die hier betrachteten Untersuchungen wurden bei konstanter Motordrehzahl und bei konstantem Treibstoffeinspritzwinkel in die Verbrennungskammer durchgeführt, was nachfolgend im einzelnen erläutert wird. Nachzutragen ist, daß in Fig. 5 die Ordinate im logarithmischen Maßstab aufgetragen ist.

Eine andere Reihe von Untersuchungen wurde durchgeführt, um festzustellen, welchen Einfluß der Treibstoffeinspritzwinkel auf die Motorleistung bei einer Verbrennungskammer mit der quadratischen Höhlung besitzt. Kehren wir zurück zu Fig. 4-, wo der Schnittpunkt der Verlängerungen zweier aufeinander zulaufender innerer Seitenwände X mit Z bezeichnet ist. Dieser Punkt Z ist mit dem Mittelpunkt der Höhlung 1 bzw. des einbeschriebenen Kreises D durch eine strickpunktierte Linie A verbunden. Der von einer der Bohrungen 5 der Düse ausströmende Haupttreibstoffstrahl F trifft dann am Punkt P auf eine der inneren Seitenwände X auf. Eine weitere Bezugslinie B ist dann die Verbindungslinie des Auftreffpunktes P mit dem Mittelpunkt des einbeschriebenen Kreises D. Ein Treibstoffeinspritzwinkel θ kann umgekehrt zur Richtung der Wirbelbewegung S durch Winkelversetzung zwischen den zwei Bezugslinien A und B angenommen werden, d.h. durch Winkelversetzung um den Mittelpunkt des einbeschriebenen Kreises zwischen dem Bezugspunkt Z und dem Auftreffpunkt P. Die Ergebnisse der Untersuchungen zum Feststellen des Einflusses des Einspritzwinkels O auf die Motorleistung werden nachfolgend anhand Fig. 6 erläutert. In einem Bereich des Treibstoffeinspritzwinkels O zwischen 4-0 und 55 trifft der Haupttreibstoffstrahl F etwa senkrecht auf die flachen inneren Seitenwände X auf. Demgemäß werden reflektierte Strahlen f' und f" wie bei der kreisförmigen Höhlung von Fig. 2 erzeugt, so daß sich die Verteilung und Zerstäubung des Treibstoffstrahls nicht wesentlich verbessert.

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Wenn die Anordnung der Düse 3 nicht so bestimmt ist, daß Jede Bohrung oben genannten Treibstoffeinspritzwinkel θ festlegt, dann werden die Wirkungen, die durch quadratische Formgebung der Höhlung 1, d.h. durch Ausbildung flacher innerer Seitenwände X erhalten werden sollen, ausgeglichen (offset). Es sollte hier hervorgehoben werden, daß der Grund, warum der auszunehmende Einspritzwinkelbereich -von z.B. θ = 4-5° - 5° bezüglich der inneren Seitenwände X nicht symmetrisch ist, auf die Existenz der Wirbelbewegung S zurückzuführen ist.

Wenn der Treibstoffstrahl P aus der Bohrung 5 unter einem Winkel β außerhalb des oben genannten Bereichs 40° bis 55° ausgespritzt wird, dann wird der reflektierte Treibstoffstrhal f' in Stromabwärtsrichtung und / oder der Treibstoffstrahl f'' in Stromaufwärtsrichtung sehr groß, nachdem der Haupttreibstoff strahl F auf die innere Umfangswand der Höhlung aufgetroffen ist. Durch die Wirkung der Wirbelbewegung S werden die reflektierten Treibstoffstrahle überdies genügend ausgebreitet, um die allgemeine Verteilung und Zerstäubung des eingespritzten Treibstoffs zu verbessern. Weiterhin werden die Luft- oder Treibstofftropfen, die in der Nachbarschaft der inneren Eckenwände Y stagnieren, nicht von der Wirbelbewegung S eingefangen, so daß die Treibstofftropfen in der Höhlung 1 von dem umgekehrten Wirbel Q (squish) erfaßt und in der Verbrennungskammer verbreitet werden. Die resultierende Verteilung und Zerstäubung der Treibstoffstrahle kann somit verbessert werden, um eine genügende Vermischung zwischen der angesaugten Luft und dem eingespritzen Treibstoff sicherzustellen. Als Ergebnis wird eine verbesserte Motorleistung und eine Verminderung der NO-Abgabe erhalten.

Insbesondere in Verbindung mit der quadratischen Höhlung vorliegender Erfindung wird über einen weiten Treibstoffeinspritzwinkelbereich, nämlich von 5° bis 25°, ein ausgezeichnetes Mo-

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torverhalten erreicht, wie deutlich aus Fig. 6 hervorgeht. Fig. 6 zeigt auch, daß, wenn der Einspritzwinkel θ in obigen Bereich von 5 bis 25° fällt, eine beträchtliche Schwankung im Winkel θ auftreten kann, ohne daß das Motorverhalten wesentlich verschlechtert wird. Das bedeutet, daß Motore mit im wesenlichen gleichemVerhalten in Großserie gefertigt v/erden können, ohne daß bei der Herstellung und beim Zusammenbau besondere Genauigkeit erforderlich wäre.

Wegen der relativen Lage des Einlaß- oder Auslaßventils im Zylinderkopf 4- ist es oft erforderlich, die Treibstoffeinspritzdüse 3 aus dem Zentrum der Höhlung 1 im oberen Abschnitt der Verbrennungskammer zu verlegen* Vorliegende Erfindung kann indessen dieses Erfordernis erfüllen, indem die Bohrungen 5 der Düse 3 sich im oberen Abschnitt der Verbrennungskammer am Zentrum der Höhlung 1 öffnen. Eine zulässige Versetzung der Düse 3 wird zur Erfüllung dieses Erfordernisses als ausreichend angesehen, wenn die Versetzung innerhalb 15# des Radius R des einbeschriebenen Kreises D bleibt.

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Claims

24. August 1973 IG/bü 1-2-10226 M

Patentansprüche :

(1.yerbrennungskammer für einen Einspritz-Dieselmotor, die von Zylinderseitenwänden, einem Zylinderkopf, sowie von der Oberseite eines innerhalb der Zylinderseitenwände gleitbaren Kolbens umgrenzt ist, wobei eine Höhlung in der Oberseite des Kolbens ausgebildet, eine Einrichtung zur Erzeugung einer Wirbelbewegung in der Verbrennungskammer vorgesehen und im oberen Abschnitt der Verbrennungskammer im Bereich des Zentrums der Höhlung eine Treibstoffeinspritzdüse angeordnet ist, die Bohrungen besitzt, durch die in Zeitintervallen abgemessene Treibstoffmengen in die Höhlung eingespritzt werden, dadurch gekennnzeichnet , daß die Höhlung (1) eine innere Umfangswand aufweist, die sich aus vier oder acht flachen inneren Seitenwänden (X), die im horizontalen Querschnitt geradlinig sind, gleiche Länge besitzen und jeweils senkrecht aufeinander zulaufen, sowie aus vier bzw. acht inneren Eckenwänden (Y) zusammensetzt, die im horizontalen Querschnitt im wesentlichen einen Bogen beschreiben, zwischen je zwei benachbarten inneren Seitenwänden angeordnet sind und einen solchen Bogenradius (r) besitzen, daß das Verhältnis des Bogenradius zum Radius (R) eines innerhalb der Seitenwände einbeschriebenen Kreises (D) im Bereich zwischen 0,40 und 0,75 liegt, und daß die Treibstoffeinspritzrichtung jeder der Düsenbohrungen (5) so festgelegt ist, daß öeäer Treibstoffstrahl unter einem schrägen Winkel (Θ) gegen eine der Seitenwände der Höhlung (1) auftrifft.

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2.Verbrennungskammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrägwinkel (9) der Treibstoffeinspritzrichtung, von einer Bezugslinie (A), die den Mittelpunkt des einbeschriebenen Kreises (D) mit dem Schnittpunkt (Z) der Verlängerungen der Seitenwände (X) verbindet, in umgekehrter Richtung wie die Wirbelbewegung (S) ausgehend in einem Bereich mit Ausnahme von 4-0° bis 55° liegt.
3.Verbrennungskammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrägwinkel (Θ) der Treibstoffeinspritzrichtung jeder Düsenbohrung (5) ausgehend von der Bezugslinie (A) in umgekehrter Richtung wie die Wirbelbewegung (S) im Bereich zwischen 5° und 25° liegt.

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