DE2406737C3 - Piston internal combustion engine with a rotationally symmetrical combustion chamber in the form of a single-shell hyperboloid or a combustion chamber similar to the hyperboloid - Google Patents
Piston internal combustion engine with a rotationally symmetrical combustion chamber in the form of a single-shell hyperboloid or a combustion chamber similar to the hyperboloidInfo
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Die Erfindung betrifft eine Kolbesibrennkraftmaschine 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.The invention relates to a piston internal combustion engine with a rotationally symmetrical piston combustion chamber in the form of a single-shell hyperboloid or a combustion chamber similar to the hyperboloid in which the air charge rotates by known means offset, circles and the fuel by means of a arranged in the vicinity of the combustion chamber opening edge, their Spray opening at a small distance from the combustion chamber wall having nozzle in a jet into the Air charge is injected.
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 dahei 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 ergeDen sich durch den Entfall jeglicher Einschnitte am Brennraumrand (z. B. Schnaupen o. ä.) Vorteile hinsichtlich der Rißempfindlichkeit im Motorbetrieb.An internal combustion engine according to DL-PS 462 is known, which has a piston combustion chamber in the form of a single-shell hyperboloids, the preferred direction being the jet axis of the injection jet runs parallel to a generating line of the hyperboloid and thereby in the direction of the air vortex rotation. the Injection takes place at a short distance from the combustion chamber wall. This arrangement gives an enlargement the free jet length compared to other types of combustion chambers in the case of a mixture formation near the wall Space. At the same time, the hyperboloid combustion chambers result in higher vortex speeds at the end of the compression than achieved with comparable spherical combustion chambers with the same neck diameter. Further The elimination of any incisions on the edge of the combustion chamber (e.g. snouts or the like) results in advantages in terms of the sensitivity to cracks in engine operation.
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 Kraftstoffverwehung und damit zu einer noch nicht optimalen Gemischverteilung und -aufbereitung im Brennraum kommt.It has been shown that the preferred beam position is parallel to a generatrix of the hyperboloid in short distance to the combustion chamber wall in short-stroke internal combustion engines or in internal combustion engines with high speeds and thus high vortex speeds or short combustion times not is optimal. Some of the fuel particles get close to the wall too quickly without having evaporated sufficiently, like this that there is insufficient fuel drift and thus a not yet optimal mixture distribution and processing comes in the combustion chamber.
Dieser Nachteil bringt eine Erhöhung der Rauchdichte und eine nocht nicht optimale Leistungsausbeute zwangläufig mit sich.This disadvantage leads to an increase in the smoke density and a not yet optimal power output inevitably with itself.
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, bildetAt the same time, the insufficient fanning and drifting of the fuel jet increases the ignition delay, which leads to an advance of the optimal injection point and thus to a leads to increased nitrogen oxide emissions, which is a disadvantage of internal combustion engines with direct injection, in particular with wall application, forms
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.The purpose of the invention is to eliminate the disadvantages mentioned and the field of application of the known Process to expand and generally reduce pollutant emissions, in particular nitrogen oxide.
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.The object of the invention is in internal combustion engines which have a piston combustion chamber in the form of a Have hyperboloids or a hyperboloid-like combustion chamber with approximately the same dimensions, the fanning out and blowing of the fuel jet and thus the mixture distribution and preparation improve. The conditions for small stroke-to-bore ratios or high-speed ones are intended here Internal combustion engines are taken into account.
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 Brernraumhöhe 0,8 bis 0,9 des größten Brennraumdurchmessers betragen.According to the invention this object is achieved in that the beam between two to each other and to Combustion chamber axis runs parallel delimitation planes which are at a distance of from the combustion chamber axis 0.4 and 0.7 of the radius of the smallest combustion diameter, and that the smallest combustion chamber diameter and the combustion chamber height is 0.8 to 0.9 of the largest combustion chamber diameter.
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.The injection jet can then advantageously be steeper than the planes in a perpendicular view of the delimitation planes Generation line of the hyperboloid, inclined in the vortex direction of the air flow or up to perpendicular to The direction of the vortex of the air flow or with a small component run against the direction of the vortex, the twist ratio having a value preferably between 8 and 9.5.
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-It is advantageous if the stroke bore ratio is equal to or less than 1, the injection jet with a small component against the air swirl direction of the air flow in a vertical view of the boundary
zungsebene auszurichten. Dabei soll die Drallverhähniszahl einen Wert vorzugsweise zwischen 7 und 8,5 aufweisen.aligning level. The twist ratio should be preferably have a value between 7 and 8.5.
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 von Brennraumoberfläche zu Brennraumvolumen den Wert von 9,5 ergibt. Die hier gegebene Bemessungsregel sichert die Anwendung einer optimalen ^rallzahl zu den Proportionen eines gewählten Brennraumes.It was found that favorable engine conditions for internal combustion engines with a cylinder volume of 0.4 to 2 dm 3 result when the product of the optimum swirl ratio and the ratio of the combustion chamber surface to the combustion chamber volume is 9.5. The dimensioning rule given here ensures the use of an optimal rall number for the proportions of a selected combustion chamber.
Es können alle vorangegebenen Merkmale auch bei Brennräumen, die exzentrisch zur Kolbenachse angeordnet sind, angewandt werden.All of the above features can also be used for combustion chambers that are eccentric to the piston axis are to be applied.
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 verwenenden 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. The particular advantage of the proposed injection jet positions consists in the fact that the wall distance increases with increasing beam length the fuel jet fans out more and increasingly the influence of the using rotating combustion air. This quickly becomes a circumferential and vertical one Generated in the direction of a large fuel veil, which ensures good mixture formation and combustion. As the combustion chamber diameter increases with increasing combustion chamber depth, the remains The mixture ring is far enough away from the center of the combustion chamber and guarantees a favorable mixture formation and combustion, known "thermal mixture" of unburned and burning fuel particles.
Die vorgeschlagenen Einspritzstrahllagen ermöglichen eine Erweiterung des Anwendungsbereiches des bekannten Verbrennungsverfahrens auf besonders schneüaufende 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 Stickoxidemission.The proposed injection jet positions enable the scope of the known combustion process on particularly high-speed internal combustion engines or on such with approximately square or sub-square stroke-bore ratios, and with more favorable ones Characteristic values for economy, performance and smoke density. Furthermore, the stronger fanning and blowing of the fuel jet the ignition delay, which is why a later start of injection can be realized. This reduces the maximum cylinder pressure and the rate of pressure increase and above all the nitrogen oxide emissions.
Die vorgeschlagenen Strahllagen lassen sich auch bei hyperboloidähnlichen Brennräumen anwenden, wenn die nachfolgend im einzelnen beschriebenen Proportionen und Zuordnungen eingehalten werden.The proposed beam positions can also be used in hyperboloid-like combustion chambers, if the proportions and assignments described in detail below are observed.
Auch bei relativ langhubigen und langsamer laufenden Brennkraftmaschinen treten 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 NCK-Senkung wie Ansaugluftdrosselung, Förderbeginnverstellung, Abgasrückführung, Wirbelkammerverfahren und Wassereinspritzung stellt die Erfindung eine ökonomisch vorteilhafte Lösung dar.Even with relatively long-stroke and slower-running internal combustion engines, the proposed beam positions significant improvements in nitrogen oxide emissions with only minor losses in terms of performance and economy. In relation to the previously proposed measures to lower the NCK such as intake air throttling, start of delivery adjustment, exhaust gas recirculation, swirl chamber process and Water injection, the invention represents an economically advantageous solution.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen erläutert.The invention is explained below on the basis of exemplary embodiments.
In den Zeichnunger, zeigtIn the drawing, shows
F i g. 1 einen Teilschnitt AA ( F i g. 3) des Kolbens n.it Brennraum und den erfindungsgemäßen Strahllagen in senkrechter Sicht auf die Begrenzungsebenen,F i g. 1 shows a partial section AA (FIG. 3) of the piston with the combustion chamber and the jet positions according to the invention in a vertical view of the boundary planes,
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,F i g. 2 shows a partial section BB ( FIG. 3) of the piston with the combustion chamber and the jet positions according to the invention in view of the course of the boundary planes,
Fie. 3 die Aufsicht auf den Kolben und den Brennraum mit den Projektionen der erfiridungsgemäßen Strahllagen,Fie. 3 the top view of the piston and the combustion chamber with the projections of the invention Beam positions,
F i g. 4 einen Teilschnitt durch einen Kolben mit einer durch Kreisbogenkonstruktion angenäherten Hyper'coloid-Brennraumkontur, F i g. 4 shows a partial section through a piston with a Hyper'coloid combustion chamber contour approximated by circular arc construction,
F i g. 5 einen Teilschnitt durch einen Kolben mit einer hyperboloidähnlichen Brennraumkontur.F i g. 5 shows a partial section through a piston with a hyperboloid-like combustion chamber contour.
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.The one in the piston 1 is preferably coaxial with the cylinder axis arranged combustion chamber 2 has according to FIG. 1 has the shape of a hyperboloid of revolution. To the The hyperboloid-shaped part of the combustion chamber 2 closes the contour of the combustion chamber floor 3 in a concave manner curved with the interposition of transition radii 4.
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 E\ und Ei verlaufen, wie F i g. 3 zeigt, zueinander und zur Brennraumachse 8 parallel, wobei die innere Begrenzungsebene E\ einen Abstand von 0,4 ■ η — η = Radius des kleinsten Brennraumdurchmessers d\ — und die äußere Begrenzungsebene £2 einen Abstand von 0,7 · η von der Brennraumachse 8 aufweist.The fuel jet injected through the nozzle 5 - only one of the jets 6 comes out at a time; 6 '; 6 "for use - lies in an area between the two delimitation planes Ei and Ez-, in FIGS. 2 and 3 further projections of this ray are shown. The delimitation planes E \ and Ei run, as FIG. 3 shows, parallel to each other and to the combustion chamber axis 8, the inner delimitation plane E \ being at a distance of 0.4 · η - η = radius of the smallest combustion chamber diameter d \ - and the outer delimiting plane £ 2 having a distance of 0.7 · η from the combustion chamber axis 8 .
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.The spray opening 51 of the nozzle 5 is located in the vicinity of the combustion chamber wall for all jet positions according to the invention. The shortest distance a from the combustion chamber wall should preferably be between 2 to 5 mm in Depending on the size of the combustion chamber.
In F i g. 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.In Fig. 3 the vortex direction 7 of the air charge is visible, with the projections of the rays 6; 6 '; 6 "the beam path to the vortex direction 7 can be clearly seen. The beam 6 runs in the vortex direction 7, the beam 6 'approximately perpendicular to the vortex direction 7, while the beam 6 ″ against the vortex direction 7 is directed.
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 ■ ώ beträgt, wobei cfc der größte Brennraumdurchmesser ist.Hyperboloid combustion chambers or approximately similar combustion chamber shapes have proven to be optimal, see FIG. 4 and 5, if the combustion chamber height h and the smallest combustion chamber diameter d \ 0.8 to 0.9 ■ ώ, where cfc is the largest combustion chamber diameter.
Der kleinste Brennraumdurchmesser ώ hat die Abmessungen 0,35 bis 0,4 des Kolbendurchmessers.The smallest combustion chamber diameter ώ has the dimensions 0.35 to 0.4 of the piston diameter.
Die Ausrichtung des Strahles 6 innerhalb des Bereiches der Begrenzungsebenen E\ und £2 hängt vom Hub-Rohrungs-Verhältnis, von der Drehgeschwindigkeit der Luft im Brennraum 2 und den spezifischen Forderungen an den Motor ab, wobei zwischen diesen EinfluBgrößen noch untereinander Abhängigkeiten bestehen.The orientation of the jet 6 within the area of the boundary planes E 1 and E 2 depends on the stroke-tubing ratio, the rotational speed of the air in the combustion chamber 2 and the specific requirements on the engine, whereby there are still interdependencies between these influencing variables.
Die Drallverhältniszahl k 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.The swirl ratio number k is between 7 and 9 for optimal engine results, the smaller values of the swirl ratio number k being for short-stroke or high-speed internal combustion engines and the larger values for long-stroke or slower-running internal combustion engines.
Die Drallverhältniszahl k wird gebildet durch dasThe twist ratio k is formed by the
to 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.to ratio between mean anemometer speed im Combustion chamber and engine speed. The measuring method used is that in "Motor Vehicle Technology", 1970, p. 297 to 299 and p. 319 are applied.
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, wennIt was also found that in the case of hyperboloid combustion chambers and combustion chambers with a similar contour the proportions of the combustion chamber and the speed of rotation of the air charge in a certain context stand. Optimal results have been achieved when
nachfolgende Bedingung erfüllt wird:the following condition is met:
,S.S bis 9.2 ., S.S to 9.2.
Das Produkt aus ürallvcrlialtnis/ahl A' und dem Verhältnis zwischen Brennraumoberfläche Ah und Brennraum volumen Vw sollte jeweils 8,8 bis 9,2 ergeben.The product of the ürallvcrlialtnis / ahl A 'and the ratio between the combustion chamber surface Ah and the combustion chamber volume Vw should be 8.8 to 9.2 in each case.
Alle vorgegangenen beschriebenen Abhängigkeiten sichern bei entsprechender Auslegung von Brennkraftmaschinen mit Zylindcrvolumen von 0,4 bis 2 I optimale motorische Ergebnisse.All of the above-described dependencies secure with an appropriate design of internal combustion engines with a cylinder volume of 0.4 to 2 liters, optimal motor results.
Die in Fig. 4 und 5 gezeigten Brennräume könnet vorteilhaft als Näherungskonstruktionen zu Hyperbo loidbrennräumen angewandt werden, insbesonden dann, wenn die Spritzöffnung 51 genügend nahe an di( Brennraumwand heranreicht und die Drallverhältnis zahl k an der unteren Grenze der angegebener Drallzahlen liegt, z. B. bei schnellläufigen, kurzhubiger Brennkraftmaschinen.The combustion chambers shown in Fig. 4 and 5 can advantageously be used as approximation constructions for hyperbo loid combustion chambers, especially when the injection opening 51 comes close enough to di (combustion chamber wall and the swirl ratio number k is at the lower limit of the swirl numbers given, e.g. in high-speed, short-stroke internal combustion engines.
Die in Fig. 5 gezeigte hyperboloidförmige Brenn raumkontur besteht im wesentlichen aus einen kegelstumpfförmigen Teil h\ mit Übergangsradien t zum Brennraumboden 3.The hyperboloid-shaped combustion chamber contour shown in FIG. 5 essentially consists of a frustoconical part h \ with transition radii t to the combustion chamber floor 3.
Hierzu I Blatt ZeichnurmenFor this purpose I sheet of drawing lines
¥¥
Claims (5)
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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| DD16988573 | 1973-04-02 |
Publications (3)
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| DE2406737A1 DE2406737A1 (en) | 1974-10-10 |
| DE2406737B2 DE2406737B2 (en) | 1976-04-15 |
| DE2406737C3 true DE2406737C3 (en) | 1976-12-02 |
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