DE2634470A1 - Selbstzuendende luftverdichtende brennkraftmaschine - Google Patents

Description

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T2-Lin/L 3 27.7.1976

MOTOREN-WERKE MANNHEIM AG, vorm. BENZ, Abt. stat. Motorenbau, 6800 Mannheim, Carl-Benz-Strasse 5

Selbstzündende luftverdichtende Brennkraftmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine selbstzündende luftverdichtende Brennkraftmaschine mit einem Nebenbrennraum in Form eines achssymmetrischen Hohlkörpers, der mit dem Zylinderraum über einen koaxialen Überströmkanal in ständig offener Verbindung steht. Bei dieser Brennkraftmaschine wird der Brennstoff in einem schlanken Kernstrahl mit umgebendem Schleier aus feinen Tröpfchen gegen Ende des Verdichtungshubes in den Nebenbrennraum in Richtung der Symmetrieachse gegen den Überströmkanal hin eingespritzt, wobei die während des Verdichtungshubes in den Nebenbrennraum verdrängte Verbrennungsluft der Spritzrichtung des Kernstrahles entgegen strömt.

Selbstzündende luftverdichtende Brennkraftmaschinen mit einem Nebenbrennraum (Vorkammer oder Wirbelkammer), d.h. Dieselmotoren mit indirekter Verbrennung sind wegen ihrer niedrigen Kohlenmonoxid (CO)-Konzentration im Abgas seit Jahren bevorzugt in Bergwerken und geschlossenen Räumen eingesetzt worden. Nachdem jedoch die gesetzgebenden Körperschaften mehrerer Staaten für diese Anwendungsarten bereits verminderte Grenzwerte der Schadstoffkonzentrationen in den Motorabgasen festgelegt haben oder festlegen werden, wird es immer schwieriger die gesteigerten Anforderungen hinsichtlich Leistung und Drehmoment, die an die· genannten Dieselmotoren gestellt werden, mit den verschärften Vorschriften zum Schutz der Gesundheit in Einklang zu bringen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in diesem Zusammenhang darin, die gegensätzlichen Forderungen nach hoher Motorleistung bzw. hohem Motordrehmoment bei niedriger Emission von Schadstoffen

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im Abgas miteinander in Einklang zu bringen.

Bei Fahrzeugantrieben wird neben hoher Leistung bei voller Drehzahl auch ein Anstieg des Drehmoments zu niedrigen Drehzahlen hin verlangt, der 10 % nicht unterschreiten soll. Normalerweise erhöht sich jedoch die CO-Emission im Abgas mit einem derart ansteigenden Drehmoment nicht nur aufgrund des verringerten Luftüberschusses, sondern hauptsächlich deshalb, weil mit abnehmender Drehzahl die Intensität der Mischung von Brennstoff und Luft zurückgeht. Dies führt dazu, daß normale Dieselmotoren mit indirekter Verbrennung nicht in der Lage sind, bei niedriger Drehzahl d.h. im Bereich des maximalen Drehmomentes die verschärften gesetzlichen Bestimmungen zu erfüllen. Da diese Bestimmungen eine Überschreitung der Grenzwerte in keinem Betriebsbereich des Motors zulassen, bleibt demgegenüber kein anderer Ausweg, als solche. Motoren mit verminderter Leistung zu betreiben.

Im besonderen besteht daher die Aufgabe der Erfindung darin, diesen Nachteil zu vermeiden. Dabei wird gemäß dem vorstehend Gesagten nicht nur eine möglichst niedrige Schadstoffkonzentration im Abgas bei Höchstleistung und voller Drehzahl, sondern auch ein vom Drehmomentverlauf weitgehend unabhängiger Wert der Schadstoffkonzentration angestrebt und zwar nicht nur für Kohlenmonoxid (CO), sondern auch für die anderen Schadstoffe im Abgas, wie die unverbrannten Kohlenwasserstoffe (HC) und die Stickoxide (NO ).

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß an einer Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß mindestens ein Turbulenzkörper derart außerhalb des Kernstrahles im Weg der in den Nebenbrennraum einströmenden Verbrennungsluft liegt, daß er imstande ist, die auf den Turbulenzkörper auftreffende Luft abzulenken und/oder zu verwirbeln, so daß die Intensität der Mischung von Brennstoff und Luft gesteigert wird.

Bei Dieselmotoren mit Nebenbrennräumen der eingangs genannten Art sind Prallkörper bekannt, auf die der Kernstrahl auftrifft, um das Warmlaufen des Motors nach dem Start, sowie den Leerlaufbetrieb zu verbessern (MTZ 1953, Seite 324-333). Wie Untersuchungen

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jedoch zeigten, können solche Prallkörper im Teillastbereich die CO-Konzentration im Wege einer etwaigen Nebenwirkung nicht auf den für Untertagebetrieb in der Bundesrepublik Deutschland zulässigen Wert von 500 ppm senken.

Sowohl bei Dieselmotoren mit Nebenbrennraum als auch mit direkter Einspritzxing sind Stabglühkerzen bekannt, die nach elektrischer Aufheizung den Kaltstart des Motors ermöglichen. Während des anschließenden normalen Motorbetriebs wirken sich diese in den Verbrennungsraum ragenden Störkörper jedoch negativ aus, weil sie die gerichtete Strömung der verdichteten Verbrennungsluft, vor allem bei Drallströmungen, nachteilig beeinflussen. Daher ragen die als Störkörper wirkenden Partien der Stabglühkerzen nur soweit in den Verbrennungsraum hinein, wie es zur Erfüllung der mit einem Kaltstart verbundenen Forderungen notwendig ist. Dabei ist die Neigung, unter der diese Stabglühkerzen eingebaut sind, lediglich konstruktiv bedingt. Um die erwähnten Strömungsverluste klein zu halten, ist der als Störkörper wirkende stabförmige Teil dieser Glühkerzen mit dem geringstmöglichen Durchmesser, der noch eine hinreichende Wärmekapazität und Oberflächentemperatur ergibt, sowie mit einem linsenförmigen oder halbkugeligen Ende ausgeführt. Auch die Stabglühkerzen sind nicht in der Lage die CO-Konzentration im Abgas im Teillastbereich im Wege einer etwaigen Nebenwirkung auf den vorgenannten zulässigen Wert zu senken.

Im Gegensatz zu diesen bekannten in Nebenbrennräumen von Dieselmotoren zu findenden Stör- oder Prallkörpern, die anderen Zwecken dienen, konzentriert sich die Erfindung, wie schon oben im einzelnen erläutert, darauf,das Schadstoffverhalten mit Hilfe des erwähnten Turbulenzkörpers zu verbessern. Entsprechende Messungen haben gezeigt, daß mit dieser Maßnahme eine wesentliche Senkung des Gehaltes von Kohlenmonoxid und der unverbrannten Kohlenwasserstoffe erzielt wird und zwar bei zurückverlegtem Zeitpunkt der Brennstoffeinspritzung, was wiederum eine starke Verminderung der Stickoxide ermöglicht.

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Die Steigerung der Intensität der Mischung von Brennstoff und Luft ist besonders ausgeprägt, wenn der Turbulenzkörper von länglicher Gestalt ist und eine dem Überströmkanal gegenüberliegende Stirnfläche mit scharfkantiger Umfangsbegrenzung aufweist, auf welche die einströmende Luft auftrifft, wobei diese Stirnfläche im Bereich der mittleren Normalebene des als Vorkammer ausgebildeten Nebenbrennraums liegt.

Bei einer Vorkammer, deren kugelförmige Innenwand in den Überströmkanal übergeht, ist die Verminderung des Schadstoffgehaltes der Abgase vorteilhaft dann am stärksten, wenn die Stirnfläche des Turbulenzkörpers im Bereich der größten Normalebene der Vorkammer liegt.

Unter den vorstehend geschilderten Bedingungen läßt sich der CO-Gehalt der Abgase sogar mit fallender Motordrehzahl noch vermindern, wenn der Durchmesser der Stirnfläche zwischen 15 und 35 % des größten senkrecht zur Symmetrieachse gemessenen Durchmessers der Vorkammer beträgt.

Wie weiter oben näher erläutert, ist dies von besonderer Wichtigkeit bei Fahrzeugantriebsmotoren.

Wenn die Stirnfläche des Turbulenzkörpers in einer Ebene liegt, die derart schräg zu der Symmetrieachse verläuft, daß die auf die Stirnfläche auftreffende Verbrennungsluft in Richtung auf den Kernstrahl hin abgelenkt wird, ergibt sich eine vorteilhafte Verbesserung der Mischung von Brennstoff und Luft im Bereich des Kernstrahles.

Vorteilhaft kann die Stirnfläche durch eine Scheibe gebildet werden, die mit Hilfe eines Stiftes an der Vorkammerwand befestigt ist, dessen Durchmesser kleiner als der Scheibendürchmesser ist. Auf diese Weise entsteht ein weiterer scharfkantiger wirbelerzeugender Absatz, und zwar am Übergang von der Scheibe zum Stift, der die Intensität der Mischung von Brennstoff und Luft weiter verstärkt.

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Diesem Zweck dient auch eine Form der Scheibe, bei der die Höhe etwa 20 % des Scheibendurchmessers beträgt.

Der von dem Turbulenzkörper erzeugte Luftwirbel kann sich vorteilhaft unbehindert ausbilden, wenn der Mittelpunkt der Stirnfläche etwa auf halbem Wege zwischen der Symmetrieachse und der Vorkammer innnenwand liegt.

Die bereits erwähnte vorteilhafte Ablenkung der auf die Stirnfläche auftreffenden Verbrenungsluft in Richtung auf den Kernstrahl kommt in der gewünschten Weise zu Stande, wenn die Ebene, in der die Stirnfläche liegt, mit der Normalebene, die durch den Stirnflächerunittelpunkt geht, einen Winkel einschließt, der zwischen 15 und 25° liegt.

Diese Wirkung bleibt dann erhalten, wenn die Stirnfläche um so größer ist, je größer der vorgenannte Winkel ist.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und die Wirkung auf den Schadstoffgehalt der Motorabgase veranschaulicht.

Fig. 1 zeigt den Nebenbrennraum mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turbulenzkörpers.

Fig. 2 zeigt den CO-Gehalt der Abgase eines Dieselmotors mit einem Nebenbrennraum gemäß Fig. 1, in den jedoch im einen Fall eine übliche Stabglühkerze, im zweiten Fall eine Ausführungsform des Turbulenzkörpers und im dritten Fall eine weitere Ausführungsform des Turbulenzkörpers eingebaut ist, und zwar in Abhängigkeit von der Motordrehzahl bei einem bestimmten Drehmomentverlauf.

Fig. 3 zeigt zusätzlich zu einer Kurve des CO-Wertes aus Fig. 2

noch die entsprechenden HC und NO Konzentrationen.'

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Der in Fig. 1 dargestellte Nebenbrennraum ist eine Vorkammer 1, deren Innenwand kugelförmig ist. Die Innenwand geht in einen Überströmkanal 2 über, der eine ständig offene Verbindung zwischen der Vorkammer 1 und dem Zylinderraum 3 herstellt. Die Vorkammer 1 ist symmetrisch zu der Achse 4 angeordnet. Der Überströmkanal 2 verläuft koaxial zu der Achse 4. Die Vorkammer 1 ist als ein in den Zylinderkopf 5 des sonst nicht dargestellten Dieselmotors eingesetztes Bauteil 6 ausgeführt. Der Überströmkanal 2 wird durch den Einsatz 7 aus warmfestem Werkstoff gebildet, der mit Hilfe des Vorkammerteiles 6, an dem nicht dargestellte Befestigungsmittel angreifen, dichtend zur Anlage auf ,je einer Gegenfläche des Zylinderkopfes 5 bzw. des Bauteiles 6 gebracht wird. Der Einsatz 7 ist weitgehend durch Luftspalte 8 und 9 gegenüber dem wassergekühlten Zylinderkopf 5 wärmeisoliert, während das Vorkammerteil 6 nur wenig Spiel gegenüber seiner Aufnahmebohrung im Zylinderkopf 5 hat, so daß Wärme von der Vorkammer 1 zu den wassergekühlten Wandpartien des Zylinderkopfes 5 abfließen kann. Aus einer Einspritzdüse 10, die als Drosselzapfendüse mit einem theoretischen Spritzwinkel von 0° ausgebildet ist, wird gegen Ende des Verdichtungshubes Brennstoff in einem schlanken Kernstrahl 11 mit umgebendem Schleier aus feinen Tröpfchen 12 eingespritzt. In die Vorkammer 1 ist ein Turbulenzkörper von der Form einer runden Scheibe 13 mit Hilfe des Stiftes 14 eingebaut. Die Stirnfläche 15 der Scheibe 13 liegt im Bereich der mittleren Normalebene der Vorkammer 1, d.h. bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel geht diese Normalebene durch den Mittelpunkt der Stirnfläche 15. Als Normalebenen sind Ebenen zu verstehen, die senkrecht zur Achse 4 verlaufen. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel, bei dem die Innenwand der Vorkammer 1 Kugelgestalt hat, ist die mittlere Normalebene die Ebene, auf der die Vorkammerinnenwand die größte Fläche begrenzt, d.h. hier die durch den Kugelmittelpunkt gehende Normalebene. Bei einer Vorkammer mit einer Innenwand von der Form eines Rotationsellipsoides ist die mittlere Normalebene die senkrecht zu der großen Ellipsenachse verlaufende Ebene, auf der die Vorkammerinnenwand die größte Fläche begrenzt, wobei die große Ellipsenachse und die Achse des Kern-

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Strahles identisch sind. Besteht die Vorkammerinnenwand z.B. aus einem Mittelstück von der Form eines Zylindermantels und zwei halbkugeligen Endstücken, so liegt die mittlere Normalebene in der Mitte des MittelStückes. Der Umfang der Scheibe 13 bildet sowohl mit der Stirnfläche 15 als auch mit ihrer Rückseite je eine scharfe Kante. Der Turbulenzkörper braucht nicht unbedingt scheibenförmig geformt zu sein. Die angestrebte Wirkung kommt auch dann weitgehend zu Stande, wenn er eine längliche, z.B. zylindrische Form hat, vorausgesetzt, die Lage und die dem Überströmkanal zugewandte Umfangsbegrenzung der Stirnfläche 15 sind dabei wie bei der Scheibe 13. Die Stirnfläche 15 braucht auch nicht unbedingt eben zu sein, wie dargestellt. Die angestrebte Wirkung läßt sich auch mit konkaven Formen erzielen. Das trifft auch für eine Umfangsbegrenzung der Stirnfläche 15 zu, die von der Kreisform abweicht, d.h. z.B. auch für einen viereckigen Umriß. Der Stift 14 besteht bei dem hier dargestellten Beispiel aus einem Stück mit der Scheibe 13 und ist wie diese aus warmfestem Werkstoff hergestellt. Er ist in eine Bohrung des Vorkammerteils 6 eingepreßt und an dessen Außenseite vernietet. Es sind naturgemäß auch andere Befestigungsarten denkbar, z.B. solche, bei denen der Turbulenzkörper leicht auszuwechseln ist. Die Stirnfläche 15 der Scheibe 13 ist derart zu der Achse 4 geneigt, daß die während des Exnspritzvorganges etwa in Richtung der eingezeichneten Pfeile in die Vorkammer einströmende Luft in Richtung auf den Kernstrahl 11 hin abgelenkt werden kann. Die Höhe der Scheibe 13 beträgt etwa 20 % ihres Durchmessers, der bei dem hier dargestellten Beispiel 30 % des größten senkrecht zur Achse 4 gemessenen Vorkammerdurchmessers beträgt. Der Mittelpunkt der Stirnfläche 15 liegt etwa auf halbem Wege zwischen der Achse 4 und der Innenwand des Vorkammerteiles 6. Die Ebene, in der die Stirnfläche 15 liegt, bildet mit der Normalebene, die durch den Mittelpunkt der Stirnfläche 15 geht, den Winkel O^ , der bei dem hier dargestellten Beispiel 20° beträgt. Er kann zwischen 15 und 25° liegen, wobei die Stirnfläche 15 um so größer ist, je größer der Winkel A ist.

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Fig. 2 zeigt, daß der CO-Gehalt der Abgase eines Dieselmotors mit der in Fig. 1 dargestellten Vorkammer mit Hilfe des erfindungsgemäßen Turbulenzkörpers 13 entscheidend beeinflußt werden kann, so daß er weit unter dem in der Bundesrepublik Deutschland vorgeschriebenen, international niedrigsten Grenzwert von 500 ppm liegt und mit fallender Drehzahl geringer wird. In Fig. 2 stellen die Kurven A, B und C den CO-Gehalt im Abgas eines Dieselmotors dar, dessen Drehmoment gemäß der Kurve Md in Abhängigkeit von der Drehzahl η verläuft. Das jeweilige Drehmoment ist als Prozentsatz des Nenndrehmoments (100 %) angegeben, das der Motor bei Höchstleistung bei 2500 U/min abgibt. Die Kurve A zeigt den Verlauf des CO-Wertes, der sich ergibt, wenn in die Vorkammer 1 statt des Turbulenzkörpers 13 eine normale Glühkerze eingebaut ist. Die Kurve B zeigt den Verlauf des CO-Wertes, wenn ein Turbulenzkörper 13 eingebaut ist, dessen Stirnflächendurchmesser 24 % des größten senkrecht zur Achse 4 gemessenen Vorkammerdurchmessers beträgt. Die Kurve C zeigt den Verlauf des CO-Wertes, wenn ein Turbulenzkörper 13 eingebaut ist, dessen Stirnflächendurchmesser 30 % des .größten Vorkammerdurchmessers beträgt. Es ist zu erkennen, daß die Kurve A bei niedriger Motordrehzahl den zulässigen Wert von 500 ppm überschreitet, während die Kurven B und C in der Gegend von 200 ppm liegen. Dieser große Abstand von dem zulässigen Grenzwert ist unter anderem dann von größtem Vorteil, wenn im Untertagebetrieb Grubengas mit einem Methangehalt bis zu 1,5 Vol.% von dem Dieselmotor zusammen mit der Verbrennungsluft angesaugt wird, denn diese Methankonzentration erhöht die CO-Emission ganz bedeutend.

Fig. 3 zeigt den Verlauf der Konzentrationen von Kohlenmonoxid (CO), unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) und Stickoxiden (NO ) bei dem in Fig.' 2 dargestellten Drehmomentverlauf, wenn in die Vorkammer 1 ein Turbulenzkörper 13 eingebaut ist, dessen Stirnflächendurchmesser 24 % des größten Vorkammerdurchmessers beträgt. Die Werte der Kurven für CO, HC und NO liegen erheblich unter den entsprechenden Schadstoffkonzentrationen normaler Dieselmotoren mit Nebenbrennraum.

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Claims (10)

Patentansprüche

1. SeIbstzündende luftverdichtende Brennkraftmaschine mit einem Nebenbrennraum in Form eines achssymmetrischen Hohlkörpers, der mit dem Zylinderraum über einen koaxialen Überströmkanal in ständig offener Verbindung steht, bei welcher der Brennstoff in einem schlanken Kernstrahl mit umgebendem Schleier aus feinen Tröpfchen gegen Ende des Verdichtungshubes in den Nebenbrennraum in Richtung der Symmetrieachse gegen den Überströmkanal hin eingespritzt wird, wobei die während des Verdichtungshubes in den Nebenbrennraum verdrängte Verbrennungsluft der Spritzrichtung des Kernstrahles entgegen strömt, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Turbulenzkörper (13) derart außerhalb des Kernstrahles (11) im Weg eines Teils der in den Nebenbrennraum (1) einströmenden Verbrennungsluft liegt, daß er imstande ist, die auf den Turbulenzkörper auftreffende Luft abzulenken und/oder zu verwirbeln, so daß die Intensität der Mischung von Brennstoff und Luft gesteigert wird.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbulenzkörper (13) von länglicher Gestalt ist und eine dem Überströmkanal (2) gegenüberliegende Stirnfläche (15) mit scharfkantiger Umfangsbegrenzung aufweist, auf welche die einströmende Luft auftrifft, wobei diese Stirnfläche im Bereich der mittleren Normalebene des als Vorkammer (1) ausgebildeten Nebenbrennraums liegt.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kugelförmige Innnenwand der Vorkammer (1) in den Überströmkanal (2) übergeht und daß die Stirnfläche (15) ^.es Turbulenzkörpers (13) im Bereich der größten Normalebene der Vorkammer liegt.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Stirnfläche (15) zwischen 15 und 35 % des größten senkrecht zur Symmetrieachse (4) gemessenen Durchmessers der Vorkammer (1) beträgt. - 10 -

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ORIGINAL INSPECTED

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche (15) des Turbulenzkörpers (13) in einer Ebene liegt, die derart schräg zu der Symmetrieachse (4) verläuft, daß die auf die Stirnfläche auftreffende einströmende Verbrennungsluft in Richtung auf den Kernstrahl (11) hin abgelenkt wird.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche (15) durch eine Scheibe (13) gebildet wird, die mit Hilfe eines Stiftes (14) an der Vorkammerwand (6) befestigt ist, desen Durchmesser kleiner als der Scheibendurchmesser ist.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Scheibe (13) etwa 20 % des Scheibendurchmessers beträgt.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelpunkt der Stirnfläche (15) etwa auf halbem Weg zwischen der Symmetrieachse (4) und der Vorkammerinnenwand (6) liegt.

9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene, in der die Stirnfläche (15) liegt, mit der Normalebene, die durch den Mittelpunkt der Stirnfläche geht, einen Winkel (<*) einschließt, der zwischen 15 und 25° liegt.

10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche (15) um so größer ist, je größer der Winkel ist.

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