DE2346750B2 - Dieselmotor mit Brennstoffeinspritzung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Dieselmotor mit Brennstoffeinspritzung, mit einer im Kolbenkopf angebrachten Brennkammer, die als pentagonale Ausnehmung ausgebildet ist, welche fünf im Querschnitt senkrecht zur Kolbenachse als gerade Kanten sich abbildende Seitenwände aufweist, gegen die eine entsprechende Anzahl von über eine Einspritzdüse zugeführten Brennsloffstrahlen spritzbar ist. und zwar — in Kolbenachsrichtung gesehen — jeweils unter einem von der Senkrechten auf die Seitenwand abweichenden Winkel, wobei die fünf Seitenwände durch in diesem Querschnitt sich als kreisbogenförmige Kanten abbildende Eckwände miteinander verbunden sind und die angesaugte Verbrennungsluft unter einer etwa um die Kolbenachse verlaufenden Wirbelbewegung der Brennkammer zugeführt wird. Eine soiche Brennkraftmaschine ist aus der ι R PS 10 76 741 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben mit einer Brennkammer zu schaffen, in welcher der eingespritzte Brennstoff noch besser zerstäubt, verteilt und mit der angesaugten Verbrennungsluft vermischt wird, wobei zugleich die Konzentration von Stickoxyden (NO<) sowie von sonstigen Schadstoffen im Abgas auf einem Minimum gehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die die Einspritzdüse verlassenden Brennstoffstrahlen jeweils außerhalb eines Bereichs von 30° bis 45' eines Winkels liegen, der zwischen einer durch der Mittelpunkt des in die Kanten eingezeichneten Innenkreises gehenden Geraden und einer Bezugslinie gcbil· ^Tu. Ie zwischen diesem Mittelpunkt und einem Be zug punkt gTogen ist. der durch den Schnittpunkt der vSngemngen zweier benachbarter gerader Kanten «b fdet ist und wobei die Gerade gegenüber der Be-SsHnie entgegen der Richtung der Wirbelbewegung ÄK£X ist und daß das Verhältnis aus dem Ra-Ξ> der Eckwände zu dem Radius des Innenkre.ses den Wen von annähernd 0 bis Ö.55 hat

Es wird bemerkt daß beim bekannten Gegenstand das vorstehend angesprochene Rad.enverhaltnis innerhalb des oben angegebenen Wertberc.chs liegt

Die Erfindung und deren Vorteile werden an Hand del in den Figuren schematisch dargestellten Ausfuhrungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig la die Draufsicht auf den erfindungsgemaßen Kolben mit pentagonal Brennkammer

Fig- Ib einen Längsschnitt nach der Linie \b-\b der ^F Mg³:? ausschnittsweise eine vergrößerte Draufsicht auf den Brennraum des Kolbens der F ι g 1 a

F i g 3 eine graphische Darstellung des Motorbetriebs in Abhängigkeit vom Radiusverhältnis.

F i g 4 eine graphische Darste.iung des Molorbetriebs in Abhängigkeit vom Einspritzw.nkel.

Nach Fig la hat der Kolben 2 im Kopt einen Brennraum 1. der im horizontalen Querschnitt pentagonal .st. Dieser Brennraum hat fünf ebene Seitenwän· de X die im horizontalen Querschnitt jeweils geradlinig verlaufen und jeweils die gleiche Länge haben. Zwischen den ebenen Seitenwänden X sind bogenförmig ausgebildete Eckwände Y angeordnet. Die Einspritzdüse 3 für den Brennstoff ist so am Zylinderkopf 4 angeordnet, daß ihre Spritze in der Mute des Brennraums 1 liegt Die Spritze der Einspritzdüse 3 ist symmetrisch mit fünf oder zehn Öffnungen 5 versehen, die sich in radialer Richtung zum Brennraum hin öffnen und dazu dienen, in zeitlich abgestimmter und volumenmaßig abgemessener Weise Brennstoffstrahlen F zur inneren Umfangsflächc des Brennraums abzugeben.

Die Brennraumgeometrie geht aus F ι g. 2 hervor. In die fünf ebenen Seitenwände X ist em gestrichelt gezeichneter Kreis D einbeschrieben, der den Radius R hat Mit r ist der Radius der gebogenen Eckwande V bezeichnet. Das gleiche Volumen wie der fünfeckige Brennraum I hat ein kreisförmiger Brennraum C. der durch den strichpunktiert gezeichneten Kreis dargestellt ist Gegenüber dem Brennraum C hat der funfekkige Brennraum 1 in den Bereichen, welche den Eckwänden Y entsprechen, eine radial nach außen konvexe Form und in den Bereichen, welche den ebenen Seitenwänden X entsprechen, eine im den Abstand t radial nach innen konkave Form. Die gegenüber dem Vergleichskreis nach innen gewölbten Teile bilden einen Widerstand gegen die Wirbelbewegung S der angesaugten Verbrennungsluft.

Wenn die Intensität der Wirbelbewegung Seinen geeigneten Wert entsprechend der einer niedrigen Arbeitsdrehzahl des Motors hat. wird in dem pentagonalen Brennraum 1 eine Reibungskraft auftreten, deren Intensität mit größer werdender Motordrehzahl ansteigt. Diese Reibungskraft bildet sich nahe der geradlinigen Seitenwände X aus und wirkt auf die benachbarten äußersten Bereiche der Wirbelbewegung S. Durch diese Reibungskraft wird die Wirbelbewegung S entweder unterbrochen oder abgeschwächt. In Übereinstimmung mit den Gesetzen der Gasdynamik ist die abschwächende Wirkung der Wirbelbewegung S pro-

pot ijonal zur Geschwindigkeit dieser Wirbelbewegung. Unter Berücksichtigung dessen ist es leicht verständlich, daß. je mehr die Wirbelbewegung Sdurcii das Anwachsen der Motordrehzahl beeinflußt wird, desto größer auch die Wirkung ist. weiche auf dir Seitenwände X wirksam wird; und dementsprechend wird die Wirbelbewegung S selbst verstärkt. Demgemäß ist es möglich, die verteilende und zerstäubende Wirkung des Brennstoffstrahis durch Einwirkung der Wirbelbewegung S im wesentlichen in der richtigen Größe beizu- »o behalten, ohne daß eine Beeinflussung durch die Motordrehzahl insofern stattfindet. Das Ergebnis ist auch eine Verringerung de«" Stickoxyd-Abgasc, die sich sonst mit verstärkender Wirbelbewegung S vergrößern würden. '5

Wichtig ist und einen beachtlichen Einfluß auf die Abschwächung der Wirbelbewegung S hat das Verhältnis r/R der zugehörigen Radien rder Eckwände Y zu dem Radius R des eingezeichneten Kreises D. In F i g. 3 ist die Abhängigkeit der Stickoxydkonzentration im Abgas vom Radiusverhähnis r/R angegeben. Die Messung ergibt Werte ppm/Pn«· des Stickoxyd-(NO.-)Gehaltes in ppm (Teile pro Million) in Abgasen, geteilt durch die Motor-Ausgangsleistung, welche in Werten eines mittleren effektiven Motordruckniveaus Pm·.· dar- ²S gestellt wird. Nur für Vergleichszwecke werden Betriebswerte eines anderen Motors mit dem üblichen kreisförmigen Brennraum durch gestrichelte Linie markiert. Aus der graphischen Darstellung wrd deutlich, daß die Betriebswerte des Testmotors wesentlich ver- J° bessert werden, wenn das Verhältnis der Radien r/R im Bereich von 0 bis 0,55 liegt. Hierdurch wird erhärtet, daß dann, wenn dieser angegebene Radiusbereich eingehalten wird, die Abschwächung der Wirbelbewegung S wirksam dazu beiträgt, die Zerteilung und Zerstäubung der Brennstoffstrahlen zu fördern, so daß die Motorleistung erhöht und der Anteil giftiger Abgase und Stickoxyde herabgesetzt wird. Die Versuche wurden bei einer konstanten Motordrehzahl und mit einer Verbrennungskammer ausgeführt, in welcher der Brennstoffstrahl-Einspritzwinkel ebenfalls konstant war. Die On nate der F i g. 3 hat einen logarithmischen Maßstab.

Weiterhin wurde untersucht, welchen 1 mfluß der Einspritzwinkel des Brennstoffstrahls auf den Motorbetrieb hinsichtlich des pentagonalen Brennraums hat. Nach F i g. 2 wird ein Bezugspunkt Z dadurch gewonnen, daß man zwei beliebige Randlinien zweier benachbarter Seitenwände X verlängert, bis sie sich schneiden. Dieser Punkt Z wird mit dem Mittelpunkt des Brennraums 1 bzw. des eingezeichneten Kreises D verbunden, um eine Bezugslinie A zu gewinnen. Dann trifft der von einer der öffnungen 5 der Düse 3 ausgehende Brennstoff-Hauptstrahl F am Auftreffpunkt Ip einer der ebenen Seitenwände X auf. Damit kann eine andere BezugsUnie B gewonnen werden, welche den Auftreff punkt Ip mit dem Mittelpunkt des Kreises D verbindet. Damit kann der Brennstoff-Einspritzwinkel θ in umgekehrter Richtung zur Wirbelbewegung 5 durch eine Winkelverstellung zwischen den beiden Bezugslinien A und B bestimmt werden, d. h. durch eine Winkelverdrehung um den Mittelpunkt des Kreises D zwischen dem Bezugspunkt Z und dem Auftreffpunkt Ip.

F i g. 4 zeigt die Abhängigkeit der Stickoxydkonzentration im Abgas vom Einspritzwinkei Θ. Hat der Einspritzwinkel θ die Größe von etwa 30° bis 45°. so trifft der Brennstoffstrahl F etwa senkrecht auf die ebene Seitenwand X des pentagonalen Brennraums auf. In diesem Winkelbereich werden die reflektierten Brennstoff-Teilströme C und f" nicht weit genug in den fünfeckigen Brennraum hineinreflektiert. Erfindungsgemäß soll nun der Einspritzwinkel θ außerhalb des Bereichs von 30° bis 45° liegen, d. h„ daß der erwünschte Einspritzwinkel im Bereich von 0° bis 30° und von 45° bis etwa 70° liegt. Es gibt also zwei optimale Einspritzwinkel (etwa 15° und 60°), die nicht symmetrisch in bezug auf die Senkrechte zur ebenen Seitenwand X von etwa 40° liegen. Diese Asymmetrie wird durch die Wirbelbewegung S verursacht.

Die erfindungsgemäße Brennraumgeometrie ist also so, daß bei Einhaltung der angegebenen Einspritzwinkel und Radiusverhältnisse die an den ebenen Seitenwänden X reflektierten Teilströme C und f" der Brennstoffstrahlen Fweit auseinandergezogen werden, so daß sie den gesamten Brennraum 1 möglichst gleichmäßig ausfüllen. Außerdem werden die Brennstofftröpfchen oder Luftbläschen, die sich nahe den Eckwänden V im wesentlichen in Ruhe befinden, durch die Wirbelbewegung S nicht erfaßt bzw. nicht mitgerissen. so daß die Brennstofftröpfchen im Brennraum 1 durch den inneren Sog Q hinweggezogen und um den Brennraum herum verteilt werden. Damit wird eine gute Durchmischung der angesaugten Verbrennungsluft mit dem eingespritzten Brennstoff erreicht, so daß die Notwendigkeit entfällt, die Wirbelbewegung S der angesaugten Luft übermäßig zu verstärken. Auf diese Weise gewinnt man ein Brenngemisch mit einem optimalen Verhältnis von Brennstoff zu Luft, welches nicht nur einen sanften Lauf und einen hohen Wirkungsgrad des Motors zur Folge hat, sondern auch eine minimale Stickoxydkonzentration im Abgas.

Die vorteilhaften Ergebnisse des erfindungsgemäßen Kolbens bleiben erhalten, wenn die Einspritzdüse 3 aus ihrer Zentrumslage innerhalb eines Bereichs von etwa 15% des Radius R des in den Brennraum 1 einbeschriebenen Kreises D verstellt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Dieselmotor mit Brennstoffeinspritzung, mit einer im Kolbenkopf angebrachten Brennkammer, die als pentagonale Ausnehmung ausgebildet ist weiche fünf im Querschnitt senkrecht zur Kolbenachse als gerade Kanten sich abbildende Seitenwände aufweist, gegen die eine entsprechende Anzahl von über eine Einspritzdüse zugeführten Brenn- ^|0 stoffstrahlen spritzbar ist, und zwar — in Kolbenachsrichtung gesehen — jeweils unter einem von der Senkrechten auf die Seitenwand abweichenden Winkel, wobei die fünf Seitenwände durch in diesem Querschnitt sich als kreisbogenformig« Kanten '5 abbildende Eckwände miteinander verbunden sind und die angesaugte Verbrennungsluft unter einer etwa um die Kolbenachse verlaufenden Wirbelbewegung der Brennkammer zugeführt wird, d a durch gekennzeichnet, daß die die Ein- *» spritzdüse (3) verlassenden Brennstoffstrahlen (F) jeweils außerhalb eines Bereichs von 30° bis 45' eines Winkels (B) liegen, der zwischen einer durch den Mittelpunkt des in die Kanten (X) eingezeichneten Innenkreises (D) gehenden Geraden (B) und einer Bezugslinie (A) gebildet ist. die zwischen diesem Mittelpunkt und einem Bezugspunkt (?) gezo gen ist. der durch den Schnittpunkt der Verlängerungen zweier benachbarter gerader Kanten (X) gebildet ist. und wobei die Gerade (B) gegenüber der Bezugslinie (A) entgegen der Richtung der Wirbelbewegung (S) winkelversetzt ist. und daß das Verhältnis aus dem Radius (r^der Eckwände (Y) zu dem Radius (R) des Innenkreises (D) den Wert von annähernd 0 bis 0,55 hat.