DE2406737B2 - Kolbenbrennkraftmaschine mit einem rotationssymmetrischen brennraum in form eines einschaligen hyperboloids oder einem dem hyperboloid aehnlichen brennraum - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenbrennkraftmaschine mit einem rotationssymmetrischen Kolbenbrennraum in Form eines einschaligen Hyperboloids oder einem dem Hyperboloid ähnlichen Brennraum, in dem die Luftladung, durch bekannte Mittel in Rotation versetzt, kreist und der Kraftstoff vermittels einer in der Nähe des Brennraumöffnungsrandes angeordneten, ihre Spritzöffnung in geringem Abstand zur Brennraumwand aufweisenden Düse in einem Strahl in die Luftladung eingespritzt wird.

Bekannt ist eine Brennkraftmaschine gemäß DL-PS 462, welche einen Kolbenbrennraum in Form eines einschaligen Hyperboloids aufweist, wobei die bevorzugte Richtung der Strahlachse des Einspritzstrahls parallel zu einer Erzeugenden des Hyperboloids und dabei in Richtung der Luftwirbel-Rotation verläuft. Die Einspritzung erfolgt dabei in geringem Abstand zur Brennraumwand. Diese Anordnung ergibt eine Vergrößerung der freien Strahllänge gegenüber anderen Brennraumarten bei einer Gemischbildung im wandnahen Raum. Gleichzeitig werden durch Hyperboloidbrennräume höhere Wirbeldrehzahlen bei Kompressionsende als bei vergleichbaren kugelförmigen Brennräumen mit gleichem Halsdurchmesser erzielt. Ferner ergeben sich durch den Entfall jeglicher Einschnitte am Brennraumrand (z. B. Schnaupen o. ä.) Vorteile hinsichtlich der Rißempfindlichkeit im Motorbetrieb.

Es hat sich gezeigt, daß die bevorzugte Strahllage parallel zu einer Erzeugenden des Hyperboloids in geringem Abstand zur Brennraumwand bei kurzhubigen Brennkraftmaschinen bzw. bei Brennkraftmaschinen mit hohen Drehzahlen und damit hohen Wirbeldrehzahlen bzw. kurzen Verbrennungszeiten nicht optimal ist. Ein Teil der Kraftstoffteilchen gelangt, ohne genügend verdampft zu sein, zu schnell in Wandnähe, so daß es zu einer ungenügenden KraUstoffverwehung und dairit zu einer noch nicht optimalen Gemischverteilung und -aufbereitung im Brennraum kommt

Dieser Nachteil bringt eine Erhöhung der Rauchdichte und eine nocht nicht optimale Leistungsausbeute zwangläufig mit sich.

Gleichzeitig vergrößert sich durch die ungenügende Auffächerung und Verwehung des Kraftstoffstrahles der Zündverzug, was zu einem Vorverlegen des optimalen Einspritzzeitpunktes und damit zu einer erhöhten Stickoxid-Emission führt, die einen Nachteil von Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung, insbesondere mit Wandauftragung, bildet.

Zweck der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu beseitigen und das Anwendungsgebiet des bekannten Verfahrens zu erweitern sowie die Schadstoff-Emission, insbesondere von Stickoxid, generell herabzusetzen.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei Brennkraftmaschinen, welche einen Kolbenbrennraum in Form eines Hyperboloids oder einen hyperboloidähnlichen Brennraum mit annähernd gleichen Abmessungen aufweisen, die Auffächerung und Verwehung des Kraftstoffstrahles und somit die Gemischverteilung und -aufbereitung zu verbessern. Dabei soll den Bedingungen bei kleinen Hub-Bohrungs-Verhältnissen bzw. schnellaufenden Brennkraftmaschinen Rechnung getragen werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Strahl zwischen zwei zueinander und zur Brennraumachse parallelen Begrenzungsebenen verläuft, die von der Brennraumachse einen Abstand von 0,4 und 0,7 des Radius des kleinsten Brenndurchmessers aufweisen, und daß der kleinste Brennraumdurchmesser und die Brennraumhöhe 0,8 bis 0,9 des größten Brennraumdurchmessers betragen.

Vorteilhaft kann dann der Einspritzstrahl in senkrechter Sicht auf die Begrenzungsebenen steiler als die Erzeugungsgerade des Hyperboloids, in Wirbelrichtung des Luftstromes geneigt bzw. bis senkrecht zur Wirbelrichtung des Luftstromes oder mit geringer Komponente gegen die Wirbelrichtung verlaufen, wobei die Drallverhältniszahl einen Wert vorzugsweise zwischen 8 und 9,5 aufweist.

Vorteilhaft ist es, bei einem Hubbohrungsverhältnis gleich oder kleiner 1 den Einspritzstrahl mit einer geringen Komponente gegen die Luftwirbelrichtung des Luftstromes in senkrechter Sicht auf die Begren-

zungsebene auszurichten. Dabei soll die Drallverhältniszahl einen Wert vorzugsweise zwischen 7 und 8,5 aufweisen.

Dabei wurde gefunden, daß sich günstige motorische Verhältnisse für Brennkraftmaschinen mit einem Zylindervolumen von 0,4 bis 2 dm³ ergeben, wenn das Produkt aus optimaler Drallverhältniszahl und dem Verhältnis ναα Brennraumoberfläche zu Brennraumvolumen den Wert von 9,5 ergibt. Die hier gegebene Bemessungsregel sichert die Anwendung einer optimalen Drallzahl zu den Proportionen eines gewählten Brennraumes.

Es können alle vorangegebenen Merkmale auch bei Brennräumen, die exzentrisch zur Kolbenachse angeordnet sind, angewandt werden.

Der besondere Vorteil der vorgeschlagenen Einspritzstrahllagen besteht darin, daß durch den mit zunehmender Strahllänge sich vergrößernden Wandabstand der Kraftstoffstrahl stärker auffächert und in wachsendem Maße dem verwehenden Einfluß der rotierenden Verbrennungsluft unterliegt. Dadurch wird genügend rasch ein in Umfangs- und vertikaler Richtung großflächiger Kraftstoffschleier erzeugt, der eine gute Gemischbildung und Verbrennung gewährleistet. Durch den mit zunehmender Brennraumtiefe größer werdenden Brennraumdurchmesser bleibt der Gemischring genügend weit von der Brennraummitte entfernt und garantiert die für eine günstige Gemischbildung und Verbrennung bekannte »thermische Mischung« der unverbrannten und brennenden Kraftstoffteilchen.

Die vorgeschlagenen Einspritzstrahllagen ermöglichen eine Erweiterung des Anwendungsbereiches des bekannten Verbrennungsverfahrens auf besonders schnellaufende Brennkraftmaschinen bzw. auf solche mit annähernd quadratischen oder unterquadratischen Hub-Bohrungs-Verhältnissen, und zwar bei günstigeren Kennwerten hinsichtlich Wirtschaftlichkeit, Leistung und Rauchdichte. Ferner verringert sich durch die stärkere Auffächerung und Verwehung des Kraftstoffstrahles der Zündverzug, weshalb ein späterer Einspritzbeginn realisiert werden kann. Damit sinkt der maximale Zylinderdruck, die Druckanstiegsgeschwindigkeit und vor allem auch die Stickoxideimssion.

Die vorgeschlagenen Strahllagen lassen sich auch bei hyperboloidähnlichen Brennräumen anwenden, wenn die nachfolgend im einzelnen beschriebenen Proportionen und Zuordnungen eingehalten werden.

Auch bei relativ langhubigen und langsamer laufenden Brennkraftmaschinen trete., durch Anwendung der vorgeschlagenen Strahllagen wesentliche Verbesserungen der Stickoxidemissionen bei nur geringen Einbußen an Leistung und Wirtschaftlichkeit auf. Im Verhältnis zu den bisher vorgeschlagenen Maßnahmen zur NOx-Senkung wie Ansaugluftdrosselung, Förderbeginnverstellung, Abgasrückführung, Wirbelkammerverfahren und Wassereinspritzung stellt die Erfindung eine ökonomisch vorteilhafte Lösung dar.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen erläutert.

In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 einen Teilschnitt AA (F i g. 3) des Kolbens mit Brennraum und den erfindungsgemäßen Strahllagen in senkrechter Sicht auf die Begrenzungsebenen,

F i g. 2 einen Teilschnitt BB (F i g. 3) des Kolbens mit Brennraum und den erfindungsgemäßen Strahllagen in Sicht des Verlaufs der Begrenzungsebenen,

P i ο ~\ die Aufsicht auf den Kolben und den Brennraum mit den Projektionen der erfindungsgemäßen Strahllagen,

F i g. 4 einen Teilschnitt durch einen Kolben mit einer durch Kreisbogenkonstruktion angenäherten Hyperboloid-Brennraumkontur,

F i g. 5 einen Teilschnitt durch einen Kolben mit einer hyperboloidähnlichen Brennraumkontur.

Der im Kolben 1 vorzugsweise koaxial zur Zylinderachse angeordnete Brennraum 2 weist gemäß F i g. 1 die Form eines Rotationshyperboloids auf. An den hyperboloidförmigen Teil des Brennraumes 2 schließt sich die Kontur des Brennraumbodens 3 konkav gekrümmt unter Zwischenschaltung von Übergangsradien 4 an.

Der durch die Düse 5 eingespritzte Kraftstoffstrahl — es kommt jeweils nur einer der Strahlen 6; 6'; 6" zur Anwendung — liegt in einem Bereich zwischen den beiden Begrenzungsebenen Ei und Ez; in den F i g. 2 und 3 sind weitere Projektionen dieses Strahls dargestellt.

Die Begrenzungsebenen £i und Ei verlaufen, wie F i g. 3 zeigt, zueinander und zur Brennraumachse 8 parallel, wobei die innere Begrenzungsebene Fi einen Abstand von 0,4 ■ η — η = Radius des kleinsten Brennraumdurchmessers d\ — und die äußere Begrenzungsebene Ei einen Abstand von 0,7 · η von der Brennraumachse 8 aufweist.

Die Spritzöffnung 51 der Düse 5 liegt für alle erfindungsgemäßen Strahllagen in Nähe der Brennraumwand. Der kürzeste Abstand a von der Brennraumwand sollte vorzugsweise zwischen 2 bis 5 mm in Abhängigkeit von der Brennraumgröße betragen.

In Fig.3 ist die Wirbelrichtung 7 der Luftladung sichtbar, wobei an den Projektionen der Strahlen 6; 6'; 6" der Strahlverlauf zur Wirbelrichtung 7 deutlich erkennbar ist. Der Strahl 6 verläuft in Wirbelrichtung 7,

der Strahl 6' etwa senkrecht zur Wirbelrichtung 7, während der Strahl 6" gegen die Wirbelrichtung 7 gerichtet ist.

Als optimal erwiesen sich Hyperboloidbrennräume bzw. angenähert ähnliche Brennraumformen, siehe

F i g. 4 und 5, wenn die Brennraumhöhe h und der kleinste Brennraumdurchmesser d\ 0,8 bis 0,9 ■ di beträgt, wobei di der größte Brennraumdurchmesser ist.

Der kleinste Brennraumdurchmesser d\ hat die Abmessungen 0,35 bis 0,4 des Kolbendurchmessers.

Die Ausrichtung des Strahles 6 innerhalb des Bereiches der Begrenzungsebenen Ei und Ei hängt vom Hub-Bohrungs-Verhältnis, von der Drehgeschwindigkeit der Luft im Brennraum 2 und den spezifischen Forderungen an den Motor ab, wobei zwischen diesen Einflußgrößen noch untereinander Abhängigkeiten bestehen.

Die Drallverhältniszahl Jt bewegt sich zwischen 7 und 9 für optimale motorische Ergebnisse, wobei die kleineren Werte der Drallverhältniszahl k für kurzhubige bzw. schnelldrehende und die größeren Werte für langhubige bzw. langsamer laufende Brennkraftmaschinen anzusetzen sind.
Die Drallverhältniszahl k wird gebildet durch das Verhältnis zwischen mittlerer Anemometerdrehzahl im Brennraum und der Motordrehzahl. Als Meßmethode wird dabei die in »Kraftfahrzeugtechnik«, 1970, S. 297 bis 299 und S. 319 beschriebene angewandt.

Weiterhin wurde gefunden, daß bei Hyperboloidbrennräumen und Brennräumen mit ähnlicher Kontur die Brennraumproportionen und die Drehgeschwindigkeiten der Luftladung in einem bestimmten Zusammenhang stehen. Optimale Ergebnisse wurden erzielt, wenn

nachfolgende Bedingung erfüllt wird:
A: ■ ^Af = 8.8 bis 9.2 .

Das Produkt aus Drallverhältniszahl k und dem Verhältnis zwischen Brennraumoberfläche Ab und Brennraumvolumen Vb sollte jeweils 8,8 bis 9,2 ergeben.

Alle vorgegangenen beschriebenen Abhängigkeiten sichern bei entsprechender Auslegung von Brennkraftmaschinen mit Zylindervolumen von 0,4 bis 2 I optimale motorische Ergebnisse.

Die in Fig.4 und 5 gezeigten Brennräume könne: vorteilhaft als Näherungskonstruktionen zu Hyperbo loidbrennräumen angewandt werden, insbesonden dann, wenn die Spritzöffnung 51 genügend nahe an dii Brennraumwand heranreicht und die Drallverhältnis zahl Jt an der unteren Grenze der angegebenei Drallzahlen liegt, z. B. bei schnellläufigen, kurzhubigei Brennkraftmaschinen.

Die in Fig.5 gezeigte hyperboloidförmige Brenn raumkontur besteht im wesentlichen aus einen kegelstumpfförmigen Teil h\ mit Übergangsradien ' zum Brennraumboden 3.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kolbenbrennkraftmaschine mit einem rctationssymmetrischen Kolbenbrennraum in Form eines einschaligen Hyperboloids oder einem dem Hyperboloid ähnlichen Brennraum, in dem die Luf'tladung, durch bekannte Mittel in Rotation versetzt, kreist und der Kraftstoff vermittels einer in der Nähe des Brennraumöf fnungsrandes angeordne- ι ο ten, ihre Spritzöffnung in geringem Abstand zur Brennraumwand aufweisenden Düse in einem Strahl in die Luftladung eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl (6; 6'; 6") zwischen zwei zueinander und zur Brennraumachse ι j (8) parallelen Begrenzungsebenen (£i, fi) verläuft, die von der Brennraumachse (8) einen Abstand von 0,4 und 0,7 des Radius (n) des kleinsten Brennraumdurchmessers (di) aufweisen, und daß der kleinste Brennraumdurchmesser (d\) und die Brennraumhö- zo he (Λ) 0,8 bis 03 des größten Brennraumdurchmessers (ab) betragen.

2. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl (6) in »enkrechter Sicht auf die Begrenzungsebenen (Ei, £2) steiler als die Erzeugungsgerade des Hyperboloids, jedoch in Wirbelrichtung (7) des Luftstromes geneigt bzw. bis senkrecht zur Wirbelrichtung (7) des Luftstromes bzw. mit geringer Komponente gegen die Wirbelrichtung (7) verläuft, wobei die Drallverhältniszahl (k) einen Wert vorzugsweise zwischen 8 und 9,5 aufweist.

3. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl (6") in senkrechter Sicht auf die Begrenzungsebenen (£1; £2) vorzugsweise bei einem Hub-Elohrungs-Verhältnis gleich oder kleiner 1 mit einer Komponente gegen die Wirbelrichtung (7) des Luftstromes gerichtet ist, wobei die Drallverhäiiniszahl (Ar) einen Wert vorzugsweise zwischen 7 und 8,5 aufweist.

4. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus optimaler Drallverhältniszahl (Jt) und dem Verhältnis aus Brennraumoberfläche (Λβ) zu Brennraumvolumen (Vs) für Brennkraftmaschinen mit einem Zylindervolumen von 0,4 bis 21 annähernd den Wert von 9 aufweist

5. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum (2) exzentrisch zur Kolbenachse angeordnet ist.