DE2634470C3

DE2634470C3 - Selbstzündende luftverdichtende Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2634470C3
Application number: DE2634470A
Authority: DE
Inventors: Werner Dr.-Ing. 6148 Heppenheim Dietrich; Oswald Dipl.-Ing. 6840 Lampertheim Hiemesch
Original assignee: Motoren Werke Mannheim AG
Current assignee: Caterpillar Energy Solutions GmbH
Priority date: 1976-07-31
Filing date: 1976-07-31
Publication date: 1979-06-28
Also published as: DE2634470B2; DE2634470A1; US4193379A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine selbstzundende luftverdichtende Brennkraftmaschine mit einem als Vorkammer ausgebildeten Nebenbrennraum in Form eines achssymmetrischen Hohlkörpers, der mi' dem Zylinderraum über einen koaxialen Überströmkanal in ständig offener Verbindung steht, bei welcher der Brennstoff in einem schlanken Kernstrahl mit diesen 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 entgegen der Spritzrichtung des Kernstrahles strömt und eine scharfkantige Vorrichtung derart außerhalb des Kernstrahles im Bereich eines Teils der in den Nebenbrennraum einströmenden Verbrennungsluft vorgesehen ist, daß dieser Teil zur Steigerung der Intensität des Mischens von Brennstoff und Luft abgelenkt und/oder verwirbelt wird.

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 allgemein darin, die gegensätzlichen Forderungen nach hoher Motorleistung bzw. hohem Motordrehmoment bei niedriger Emission von Schadstoffen im Abgas miteinander in Einklang zu bringen.

Bei Fahrzeugantneben 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, v/eil mii 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 Drezahl, d. h. im Bereich des maximalen Drehmomentes, die verschärften gesetzlichen Bestimmungen zu erfüllen. Da diese Bestimmungen eine Überschreitung der Grenz werte 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

Wer. der Schadstoffkonzentration angestrebt, und zwar nicht nur für Kohlenmonoxid (CO), sondern auch fir die anderen Schadstoffe im Abgas, wie die unverbrannten Kohlenwasserstoffe (CH) und die Stickoxide (NO.).

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß an einer Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß die Vorrichtung mindestens ein im Weg dieses Teils angeordneter Körper von länglicher Gestalt ist, der eine dem Oberströmkanal gegenüberliegenden Stirnfläche mit scharfkantiger Umfangsbegren- ι ο zung aufweist, auf weiche die einströmende Luft auftrifft, wobei die Stirnfläche im Bereich der mittleren Normalebene des Nebenbrennraums liegt

Bei Dieselmotoren mit Nebenbrennräumen sind Prallkörper bekannt, auf die der Kernstrahl auftrifft, um das Warmlaufen des Motors nach dem Start sowie den Leerlaufbetrieb zu verbessern (»Μ'ΓΖ«, 1953, Seiten 324 bis 333). Wie Untersuchungen 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. Dpg vorstehend Gesagte gilt auch für eine Anordnung von mehreren Prallkörpern, wie sie in der GB-PS 3 34 496 gezeigt sind.

Durch die DE-AS 10 13 921 und die auch die übrigen Merkmale der Gattung der Erfindung als bekannt belegende DE-AS 11 59 210 sind scharfkantige Vorrichtungen bekannt, die derart außerhalb des Kernstrahls im Bereich eines Teils der in den Nebenbreiinraum so einströmenden Verbrennungsluft vorgesehen sind, daß dieser Teil zur Steigerung der Intensität des Mischens von Brennstoff und Luft abgelenkt und/oder verwirbelt wird.

Diese bekannten Wirbelkanten sind konzentrisch zum Kernstrahl angeordnet und haben auch in anderer Hinsicht eine vom Erfindungsgegenstand abweichende Form und Lage. Sie können Jäher nicht die Wirkung des Erfindungsgegenstandes hervorrufen.

Sowohl bei Dieselmotoren mit Nebenbrennraum als auch mit direkter Einspritzung sind Stabglühkerzen bekannt, die nach elektrischer Aufheizung den Kaltstart des Motors ermöglichen. Während des anschließenden normalen Motorbelriebs wirken sich diese in den Verbrennungsraum ragenden Störkörper jedoch nega- Ί5 tiv 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 so weit 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 kleinzuhalten, ist der als Störkörper wirkende M 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 μ der Lage, die CO-Konzentration im Abgas im Teillastbereich im Wege einer etwaigen Nebenwirkung auf den vorgenannten zulässigen Wert zu senken. Das vorstehend Gesagte gilt auch für Störkörper mit kugeligem Kopf, wie sie in der Dß'AS 11 02 4'/4 dargestellt sind.

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, derauf, das Schadstoffverhalten mit Hilfe des erwähnten turbulenzerzeugenden Körpers 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

Die Steigerung der Intensität der Mischung von Brennstoff und Luft ist dadurch besonders ausgeprägt, daß der turbulenzerzeugende Körper von länglicher Gestalt ist und eine dem Überströmkanal gegenüberliegende Stirnfläche mit scharfkantiger Umfangsbegrenzung aufweist, auf welche die einströmende Luft auftrifft, wobei die Stirnfläche im Bereich der mittleren Normalebene des Nebenbrennraums liegt

Bei einer Vorkammer, deren kugelförmige Innenwand in den Oberströmkanal C.-trgeht, ist die Verminderung des Schadstoffgehaltes der Abgase vorteilhaft dann am stärksten, wenn die Stirnfläche des turbulenzerzeugenden Körpers 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 turbulenzerzeugenden Körpers 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 Scheibendurchmesser 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.

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

Der von dem turbulenzerzeugenden Körper erzeugte Luftwirbel kann sich vorteilhaft unbehindert ausbilden, wenn Jer Mittelpunkt der Stirnfläche etwa auf halbem Wege zwischen der Symmetrieachse und der Vorkammerinnenwand liegt.

Die bereits erwähnte vorteilhafte Ablenkung der auf die Stirnfläche auftreffenden Verbrennungsluft in Richtung auf den Kernstrahf kommt in der gewünschten Weise zustande, wenn die Ebene, in der die Stirnfläche liegt, mit der Normalebene, die durch den Stirnflächen= mittelpunkt geht, einen Winkel einschließt der zwischen 15 und 25° Hegt

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

In der Zeichnung ist ein Atisführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und die Wirkung auf den

Schadstoffgehalt der Motorabgase veranschaulicht.

Fig. I zeigt den Nebenbrennraum mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen turbulenzerzeugenden Körpers.

Fig.2 2eigt den COGehalt 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 turbulenzerzeugenden Körpers und im dritten Fall eine weitere Ausführungsform des turbulerizerzeugenden Körpers eingebaut ist, und zwar in Abhängigkeit von der Motordrehzahl bei einem bestimmten Drehmomentverlauf.

F i g. 3 zeigt zusätzlich zu einer Kurve des CO-Wertes aus F i g. 2 noch die entsprechenden CH- und NO«-Konzentrationen.

Der in Fig. I dargestellte Nebenbrennraum ist eine Vorkammer i_r d?rcn innenwand ku^cTs!iörnii^iT 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 warmfpstem Werkstoff gebildet der mit Hilfe des Vorkatnmerteiles 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 diesen 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 Kernstrahles identisch sind. Besteht die Vorkammerinnenwand z. B. aus einem Mitelstück 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 zustande, 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. Kr ist in eine Bohrung des Vorkammertcils 6 eingepreßt und an dessen Außenseite vernietet. Es sind naturgemäß auch andere Befestigungsarten denkbar, z.B. solche, bfi fipnen der Tiirhiilenzkörner leicht auszuwechseln ist. Die Stirnfläche 15 der Scheibe 13 ist derart zu der Achse 4 geneigt, daß die während des Einspritzvorganges 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 betrugt etwa 20% ihres Durchmessers, der bei dem hier dargestellten Beispiel 30% des größten senkrecht zur Achse 4 gemessenen Vorkammerdurchmessers beträgt. Der Mitiilpunkt 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 Normalehene. die durch den Mittelpunkt der Stirnfläche 15 geht den Winkel α, 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

Fig. 2 zeigt, daß der CO-Gehalt der Abgase eines Dieselmotors mit der in F i g. 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 π 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 Glühk »ze 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 VorkammeHurchmessers 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 Bund Cin 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 Voi.% 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 (GO), ünvefbrarinten Kohlenwasserstoffen (CII) und Stickoxiden (NO_x) bei dem in Fig. 2 dafgestellteft Drehmömentveflauf, Wenn in die Vorkammer 1 ein Turbulenzkörper 13 eingebaut ist, dessen

Stirnflächendufchmessef 24% des größten Vorkammcrdufchfriessers beträgt. Die Werte der Kurven für CO, CH lind NO_x liegen erheblich unter den entsprechenden Schadstoffkonzentrationen normaler Dieselmotoren mit Nebenbrehftfaum.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Selbstzündende luftverdichtende Brennkraftmaschine mit einem als Vorkammer ausgebildeten Nebenbrennraum in Form eines achssymmetrischen Hohlkörpers, der mit dem Zylinderraum Ober einen koaxialen Oberströmkanal in ständig offener Verbindung steht, bei welcher der Brennstoff in einem schlanken Kernstrahl mit diesen 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 entgegen der Spritzrichtung des Kernstrahles strömt und eine scharfkantige Vorrichtung derart außerhalb des Kernstrahles im Bereich eines Teils der in den Nebenbrennraum einströmenden Verbrennungsluft vorgesehen i<u, daß dieser Teil zur Steigerung der Intensität des Mischens von Brennstoff und Luft abgelenkt und/oder verwirbelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mindestens ein im Weg dieses Teils angeordneter Körper (13, 14) von länglicher Gestalt ist, der eine dem Überströmkanal (2) gegenüberliegende Stirnfläche (15) mit scharfkantiger Umfangsbegrenzung aufweist, auf welche die einströmende Luft auftrifft, wobei die Stirnfläche im Bereich der mittleren Normalebene des Nebenbrennraums(l) liegt.

2. Brennkrai .maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dir kugefürmige Innenwand der Vorkammer (1) in -ien Überströmkanal (2) übergeht und daß die Stirnfläche (15) des Körpers (13) im Bereich der größten Normalebene der Vorkammer liegt

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

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche (15) des Körpers (13) in einer Ebene liegt, die derart schräg tu der Symmetrieachse (4) verläuft, daß die auf die Stirnfläche auftreffende einströmende Verbrennungsluft in Richtung auf den Kernstuhl (11) hin abgelenkt wird.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche (15) durch eine Scheibe (13) gebildet wird, die mit Hilfe eines Stiftes (14) an der Vorkammerwand (6) befestigt ir,i, dessen Durchmesser kleiner als der Scheibendurchmesser ist.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Scheibe (13) etwa 20% des Scheibendurchmessers beträgt.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelpunkt der Stirnfläche ω (15) etwa auf halbem Weg zwischen der Symmetrie· achse (4) Und der Vörkamiflef innenwand (6) liegt.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß die Ebene, in der die Stirnfläche (15) liegt, mit der Nönfiäfebene, die durch den Mittelpunkt der Stirnfläche geht, einen Winkel (&) einschließt, der zwischen li> und 25° liegt,

9. Brennkraftmaschine mach Anspruch 8, dadurch

gekennzeichnet, daß die Stirnfläche (15) um so größer ist, je größer der Winkel (α) ist.