DE2537041A1

DE2537041A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2537041A1
Application number: DE19752537041
Authority: DE
Inventors: Erwin Prof Dr Ing Eisele
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1975-08-20
Filing date: 1975-08-20
Publication date: 1977-03-03
Also published as: GB1556717A

Description

Daimler-Benz Aktiengesellschaft Palm TO 630/k

Stuttgart-Untertürkheim 11.8.75

Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine mit Selbstzündung arbeitende Brennkraftmaschine mit einem eine Kolbenmulde umfassenden Hauptbrennraum und mit einer im Zylinderkopf angeordneten, etwa kugelförmigen Wirbelkammer, in deren oberem Scheitelbereich die Einspritzdüse vorgesehen ist, mittels derer der Kraftstoff gegen einen gegenüber der Einmündungsstelle des tangential einmündenden Überströmkanals entgegen der Wirbeldrehrichtung versetzten Wandbereich eingespritzt wird, der ausgehend von der Einmündungsstelle einen die Kugelkontur mit zunehmender Tiefe hinterschneidenden Absatz aufweist, dessen rückwärtige, zur Kammer auslaufende Wand gegenüber seinem Boden einen Winkel zwischen 90 und 120 Grad einschließt.

Bei mit einer volumenmäßig etwa kO - 50 % des Verdichtungsraumes umfassenden Wirbelkammer ausgestatteten, selbstzündenden Brennkraftmaschinen mit Einspritzung des Kraftstoffes in die Wirbelkammer läuft der Verbrennungsprozeß im wesentlichen zweistufig ab, wobei der Verbrennungsvorgang in der Wirbelkammer beginnt und dort vor allem im oberen Lastbereich zunächst im wesentlichen unter Luftmangel abläuft. Über die aus der Wirbelkammer austretenden heißen und vorverbrannten

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Brenngase wird anschließend als zweite Stufe die Verbrennung im Hauptbrennraum eingeleitet, die im wesentlichen unter Luftüberschuß abläuft. In den beiden Verbrennungestufen ergeben sich nun in bezug auf das Rauchverhalten der Maschine durchaus unterschiedliche Ergebnisse, wobei, wie sich in der Praxis gezeigt hat, die Maschine für jene Lastbereiche in bezug auf die Rauchbildung besonders günstige Werte aufweist, in denen die Luftzahl bezogen auf den Wirbelkämmer-Luftanteil allein hoch ist (Teillast). Diese Verhältnisse in bezug auf die Rauchbildung, also die günstigen Schwärzungswerte bis etwa Halblast, zeigen, daß hier bei Brennkraftmaschinen der eingangs genannten Art die erste Verbrennungsstufe, also die Teilverbrennung in der Wirbelkammer in bezug auf die Rauchbildung günstiger abläuft als dies für die zweite Verbrennungsstufe, nämlich die Hauptraum-Verbrennung, der Fall ist.

Für Brennkraftmaschinen der eingangs genannten Art nun auch diese Hauptraum-Verbrennung in bezug auf das Rauchverhalten der Maschine bis hinauf zur Vollast zu verbessern, liegt der Erfindung als Aufgabe zugrunde.

Gemäß der Erfindung wird für eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art diese Verbesserung in bezug auf die Rauchbildung für die zweite Verbrennungsstufe, also für die Hauptraum-Verbrennung, dadurch erreicht, daß der auf den mittleren Bereich des Hauptbrennraumes und auf die diesem zugehörige, annähernd mittige flache Kolbenmulde gerichtete Überströmkanal in der Ausmündung in den Hauptbrennraum mit einem Mehrlochbrenner versehen ist, dessen Brennerlöcher leicht gegen den Kolben geneigt sind und daß der Querschnitt der Brennerlöcher so bemessen ist, daß der einzelne Lochquerschnitt dem Hauptraum-Luftvolumenanteil proportional ist, der in der dem Schwerpunkt des Vollast-Wärmefreisetzungsverlaufes entsprechenden Kolbenstellung den jeweiligen

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Brennerloch vorgelagert ist. Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung ergibt sich für die in den Hauptbrennraum übertretenden Brennerstrahlen im Hauptbrennraum eine ausreichend starke Horizontalkomponente und es ergeben sich weiter für die einzelnen Hauptraum-Luftsektoren weitgehend gleiche Luftverhältnisse, so daß eine gleichmäßige und vollständige Erfassung der im Hauptbrennraum befindlichen Verbrennungsluft bis in die Randbereiche des Hauptbrennraumes gewährleistet ist, womit örtliche Luftm^ i^elgebiete mit ihrer Rauchverschlechterung weitgehend vormieden werden. Neben der durch die einzelnen Brennerlöcher bedingten erhöhten Austrittskinetik und Durchschlagskraft der Brenngase trägt hierzu die .möglichst mittige Lage der Ausmündung der Wirbelkammer in den Hauptbrennraum bei, da sich hierdurch zu große Unterschiede in den Flammwegen vermeiden lassen. Ferner trägt hierzu bei, daß durch Lage und Ausgestaltung der Kolbenmulde zusätzlich eine Konzentrierung des Hauptraum-Luftvolumens auf die Ausmündung des Überströmkanales erreicht wird, die die rasche Erfassung des gesamten Hauptraum-Luftvolumens erleichtert. Schließlich hat die verglichen mit dem reinen Wirbelkammerverfahren viel flachere Lage der Brennerlochstrahlen gegenüber dem Kolbenboden noch zur ^Folge, daß ein Kontakt der Brenngasflammen mit dem im Expansionshub sich entfernenden Kolbenboden erheblich kürzer andauert als bei dem etwa um h5 Grad zum Kolbenboden geneigten einzigen Schußkanal des bekannten Wirbelkammerverfahren. Dementsprechend wird beim Gegenstand der Erfindung die Abkühlung der Flammen, die zu einem Flammlöschen und damit zu verstärktem Rauch führen kann, weitgehend unterdrückt. Wesentlich trägt zu dem genannten günstigen Rauchverhalten auch noch bei, daß konstruktiv - z.B. bei Zweiventil-Motoren mit ihrer nicht ganz mittig möglichen Überströmkanal-AusmUndung - bedingten Ungleichmäßigkeiten in

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der den einzelnen Brennerlöchern zugeordneten Volumenverteilung des Hauptbrennraumes dadurch begegnet wird, daß die einzelnen Brennerlochquerschnitte jeweils auf ihre zu erfassenden Hauptraum-Voluinenanteile abgestimmt sind, so daß sich bezogen auf das zu erfassende Luftvolumen eine relativ gleiche Energiedichte und vor allem eine gleiche Luftzahl in den einzelnen Hauptraum-Brennsektoren ergibt, wodurch ein gleichmäßiges Durchbrennen und eine vollständige Erfassung des gesamten Luftvolumens gewährleistet wird. Für die Abstimmung der Brennerlochquerschnitte auf das Luftvolumen wird zweckmäßigerweise vom Luftvolumen des Hauptbrennraumes im Schwerpunkt der Wärmeumsetzung ausgegangen, da hierdurch die bestmögliche Lufterfassung über das ganze Zeitintegral des Verbrennungsablaufes gesichert ist.

In Ausgestaltung der Erfindung erweist es sich als zweckmäßig, wenn die Brennerlochstrahlen auf einem Kegel mit einem Mittenwinkel zwischen etwa 155 bis 175 Grad liegen, da so die günstigsten Voraussetzungen für die Erfassung des Luftvolumens im Schwerpunkt der Vollaet-Värmeumsetzung geschaffen werden, der bei solchen Nebenkammer-Brennverfahren im Bereich von etwa 17 bis 26 Grad nach OT liegt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Mehrlochbrenner zusätzlich ein Bodenloch aufweisen, dessen Blasrichtung innerhalb eines Winkelbereichee liegt, der durch die Richtung der Zylinderachse und der Achse des Überströmkanales begrenzt ist. Durch diese Weiterbildung läßt sich eine verbesserte Erfassung des Luftvolumens auch im zentralen Bereich unterhalb des Brenners erreichen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert, das in schematisierter Dar-

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stellung einen Schnitt durch den Zylinderkopfbereich einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine zeigt, wobei Gaswechsel-Steuerorgane nicht dargestellt sind.

In dem gezeigten schematisierten Querschnitt durch den Zylinderkopfbereich des Zylinders einer Brennkraftmaschine ist mit 1 der Zylinderkopf und mit 2 der Zylinderblock bezeichnet, in dem eine Zylinderbohrung 3 vorgesehen ist, die den Kolben h aufnimmt. Der Kolben h ist annähernd zentral mit einer flachen kalottenförmigen Kolbenmulde 5 versehen, die nahe dem Kolbenrand den ebenen Kolbenboden 6 schneidet, der in der dargestellten oberen Totpunktlagfc des Kolbens U einen möglichst geringen Abstand zum Zylinderkopfboden 7 aufweist.

Aus dem Zyiinderkopfboden 7 mündet der Überströmkanal 8 über einen Mehrlochbrenner 9 in die Kolbenmulde "■> aus. Der Überströmkanal 8 hat in der Gegenrichtung eine im wesentlichen tangentlale Einmündung in die als Wirbelkammer ausgebildete Nebenkammer 10.

Die Wirbelkammer 10 weist im wesentlichen Kugelform auf und ist in ihrem oberen Scheitelbereich mit der Einspritzdüse versehen, die im Rahmen der Erfindung bevorzugt als Loehdüse ausgebildet ist und eine Spritzstrahlrichtung hat, bei der der Kraftstoff auf eine Umfangsstelle des aufrechten Wirbelkammer-Hauptquerschnittes gespritzt wird, die zwischen der Einmündungsetelle 17 des tangential einmündenden Überströmkanales und dem Schnittpunkt 18 des liegenden Äquators 19 der Wirbelkammer 10 im Wandbereich gegenüber diesem Überströmkanal 8 liegt. Er trifft damit bezogen auf das vorliegende Ausführungsbeispiel im wesentlichen kurz vor oder im Bereich einer Nische auf die Wirbelkammerwand, die durch

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einen entgegen der Wirbeldrehrichtung die Kugelkontur mit zunehmender Tiefe hinterschneidenden Absatz 12 gebildet ist. In seinem rückwärtigen, tieferen Ende geht der Absatz 12 über einen Wandteil Γ3 in die Kammerkontur über, der zum Boden Ik des Absatzes unter einem Winkel zwischen etwa 90 bis 120 Grad steht. Der Boden Ik des Absatzes liegt im wesentlichen parallel zum Kolbenboden 6, bzw. zum Zylinderkopfboden 7·

Aus der Figur ist ersichtlich, daß der Spritzstrahl ausgehend von der im Scheitelbereich der Kammer 10 angeordneten Düse 11 schräg durch die Kammer verläuft, und zwar bevorzugt als Sehne in der Wirbelkammer-Hauptmeridian-Querschnittsfläche. Der Spritzstrahl tangiert dabei einen hier strichliert da

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gestellten Kreis/um das Wirbelkammerzentrum, dessen Radius dem 0,2- bis etwa 0,5-fachen des Wirbelkammerradius entspricht, wobei davon ausgegangen wird, daß die Wirbelkammer im wesentlichen Kreisquerschni.tt aufweist.

Der Überströmkanal 8 mündet, soweit dies die Lage der hier nichtdargestellten Ein- und Auslaßorgane zuläßt, möglichst zentral auf den Hauptbrennraum aus, der zu einem Teil durch die Kolbenmulde 5 gebildet ist. In der Ausmündung des Überströmkanales 8 auf den Hauptbrennraum ist der Mehrlochbrenner 9 angeordnet, der im Ausführungsbeispiel etwa radial verlaufende Brennerlöcher 15 und ein nahezu axial verlaufendes Brennerloch 16 aufweist* Die radial verlaufenden Brennerlöcher 15 sind so angeordnet, daß die Brennerlochstrahlen auf einen/· Kegel mit einem Winkel zwischen etwa 155 bis 175 Grad liegen. Das als Bodenloch ausgeführte Brennerloch 16 ist dagegen derart ausgerichtet, daß der zugeordnete Brennerlochstrahl innerhalb eines Winkelbereichee liegt, der durch die Zylinderachsrichtung einerseits und die Achsrichtung des Überströmkanals andererseits gegeben ist.

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Um bei einer derartigen Konstruktion auch dann, wenn, wie im Ausführungsbeispiel gezeigt, die zentrale Anordnung der Ausmündung des Überströmkanales nicht möglich ist, eine möglichst gleichmäßige Erfassung der Luft im Hauptbrennraum zu erreichen, werden die Brennerlochstrahlen im Querschnitt proportional dem von dem jeweiligen Brennerlochstrahl zu erfassenden Luftvolumenanteil dimensioniert, wobei diese Dimensionierung zeitpunktbezogen auf den Schwerpunkt der Wärmeumsetzung im Hau|tbrennraum ausgerichtet ist, der normalerweise bei solchen Nebenkammermotoren bei den für die Rauchemission wichtigen Vollast-Betrieb im Bereich von etwa 17 bis 26 Grad nach OT gegeben ist.

Neben der Düse 11, die bevorzugt als Lochdüse ausgeführt ist und in dieser Gestaltung im Hinblick auf ihre Anordnung große konstruktive Freiheit und eine in weiten Grenzen wählbare Strahlrichtung ermöglicht und außerdem gegenüber einer Drosselzapfendüse ein exakteres, drosselfreies und damit emissionsgünstigeres Spritzende aufweist, ist der Wirbelkammer 10 noch eine Glühkerze 17* zugeordnet.

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Claims

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Ansprüche

1/· Brennkraftmaschine, insbesondere mit Selbstzündung -s arbeitende Brennkraftmaschine mit einem eine Kolbenmulde umfassenden Hauptbrennraum und mit einer im Zylinderkopf angeordneten, etwa kugelförmigen Wirbelkammer, in deren oberem Scheitelbereich die Einspritzdüse vorgesehen ist, mittels derer der Kraftstoff gegen einen gegenüber der EinmUndungssteile des tangential einmündenden Überströmkanals versetzten Vandbereich eingespritzt wird, der ausgehend von der EinmUndungssteile einen entgegen der Wirbeldrehrichtung die Kugelkontur mit zunehmender Tiefe hinterschneidenden Absatz aufweist, dessen rückwärtige, zur Kammer auslaufende Wand gegenüber seinem Boden einen Winkel zwischen 90 und 120 Grad einschließt, dadurch gekennzeichnet, daß der auf den mittleren Bereich des Hauptbrennraumes und auf die diesem zugehörige, annähernd mittige flache Kolbenmulde (5) gerichtete Überströmkanal (8) in der Austttündung in den Hauptbrennraum mit einem Mehrlochbrenner (9) versehen ist, dessen Brennerlöcher (15) leicht gegen den Kolben (4) geneigt sind und daß der Querschnitt der Brennerlöcher so bemessen ist, daß der einzelne Lochquerschnitt im Hauptraum-Luftvoluraenanteil proportional ist, der in der im Schwerpunkt des Vollast-Wärmefreisetzungsverlaufes entsprechenden Kolbenstellung dem jeweiligen Brennerloch vorgelagert ist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerlochstrahlen auf einem Kegel mit einem Winkel zwischen etwa 155 bis 175 Grad liegen. t

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3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mehrlochbrenner(9) zusätzlich ein Bodenloch (16) auf we i s t, dessen Blasrichtung innerhalb eines Winkelbereiches liegt, der durch die Zylinderachse und die Achse des Überströmkanales (8) begrenzt ist.
h. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Nischenabsatz (I^ als zylindrische oder kegelstumpfförmige Einsenkung ausführt ist und eine ebene Bodenfläche (1 k) aufweist, die zur Zylinderkopf-Bodenfläche (7) etwa parallel liegt.
5. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüfehe, dadurch gekennzeichnet, daß der Spritzstrahl der Einspritzdüse (1 1) so gerichtet ist, daß er einen Kreis tangiert, dessen Durchmesser das O,2-bis 0,5-fache des größten Wirbelkammerdurchmessers beträgt.
6. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse (i 1) als LochdUse ausgebildet ist.

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