DE2739419C2 - Brennraum im Kolben einer luftverdichtenden selbstzündenden Brennkraftmaschine - Google Patents
Brennraum im Kolben einer luftverdichtenden selbstzündenden BrennkraftmaschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Brennraum im Kolben einer luftverdichtenden selbstzündenden Brennkraftmaschine
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.
Bei Brennkraftmaschinen ist aus Gründen der Verringerung der abgegebenen Schadstoffmenge, der
Verringerung des Verbrennungsgeräusches und der Steigerung der Leistungsausbeute eine gute Vermischung
von Luft und direkt eingespritztem Brennstoff in dem im Kolbenboden ausgesparten Brennraum erforderlich.
Es sind daher zahlreiche Vorschläge für die Gestaltung eines entsprechenden Brennraumes im
Kolbenboden bekannt, deren Ziel zumeist in einer stärken Verwirbelung der Luft und einer intensiven
Vermischung mit dem Brennstoff besteht.
Ein Brennraum mit den gattungsgemäßen Merkmalen ist aus der US-PS 30 83 700 bekannt. Dieser Brennraum
ist insgesamt ringförmig ausgebildet und im oberen, unmittelbar an den Kolbenboden angrenzenden Bereich
durch vier auf dem Umfang verteilte kreissegmentförmige Ausnehmungen so zu einem angenähert quadratischen
Querschnitt erweitert, daß der erste Radius kleiner als der zweite Radius ist. Während die
Ausnehmungen senkrecht, d. h. parallel zur Kolbenlängsachse verlaufende Seitenwände aufweisen, sind die
Seitenwände des Brennraums in den zwischen den Ausnehmungen liegenden Umfangsabschnitten von
unten nach oben einwärts gekrümmt, so daß hier am oberen Rand des Brennraurr.es überhängende Lippen
gebildet sind. Der Brennstoffstrahl wird jeweils unterhalb dieser Lippen gegen die Wand des Brennraumes
gelenkt und trifft dort jeweils mit einem ihm entgegengerichteten Luftstrom zusammen, der in Form
einer Wirbelbewegung vom Boden des Brennraumes in ίο einer Radialebene durch die Lippen nach innen
zurückgeführt wird. Die Verbrennung setzt an den Rändern der vier Ausnehmungen ein, an denen ein
sauerstoffreiches und daher leicht entzündliches Brennstoff-Luftgemisch
entsteht.
Im weiteren Verlauf der Verbrennung wird den Verbrennungszonen im Bereich der Ausnehmungen
durch die Umwälzung des Brennstoffs in dem ringförmigen Brennraum ständig neuer Brennstoff
zugeführt Nach oberen und unteren Brennraumbereichen orientierte unterschiedliche Luftwirbel treten nicht
auf.
Aus der GB-PS 5 09 838 ist ein Brennraum bekannt, der eine zylindrische Grundform mit ausgerundetem
Boden aufweist, der auf dem Umfang verteilte Ausbuchtungen mit gegenüber dem Zylinder kleineren
Krümmungsradien überlagert sind. Dadurch entsteht um die Brennraumlängsmittelachse eme im Durchmesser
große Wirbelbewegung innerhalb des Brennraumes, mit der sich kleinere Wirbelbewegungen aus den
Ausbuchtungen vermischen. In die Ausbuchtungen wird der Brennstoff eingespritzt.
Obgleich durch die aus der US-PS 30 83 700 bekannte Brennraumform bereits eine gute Vermischung von Luft
und Brennstoff und eine schnelle Einleitung des Verbrennungsvorgangs erreicht wird, besteht nach wie
vor Bedarf an einer weiteren Intensivierung der Vermischung der Luft mit dem Brennstoff.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
ausgehend von einem Gegenstand nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs einen Brennraum zu schaffen,
bei dem die Vermischung zwischen Luft und Brennstoff weiter verbessert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs gelöst.
In dem erfindungsgemäßen Brennraum bildet sich in einem unteren, kreis- bzw. kreisringförmig ausgebildeten
Abschnitt ein großräumiger Luftwirbel, der eine hohe Strömungsgeschwindigkeit erreicht, während sich
in einem oberen, annähernd quadratisch ausgebildeten und gegenüber dem unteren Abschnitt insgesamt
verengten Abschnitt der den Brennraum bildenden Aussparung des Kolbens ein weiterer Luftwirbel bildet,
der durch Randwirbel in abgerundeten Ecken des Quadrats verhältnismäßig stark gebremst wird. In einem
zwischen den beiden Wirbelenden gelegenen Bereich, in dem die Seitenwände der Aussparung mittels einer
gekrümmten Fläche von dem oberen Abschnitt in den erweiterten unteren Abschnitt der Aussparung übergehen,
bilden sich aufgrund der unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten der beiden Wirbel starke
Turbulenzen, die zu einer intensiven Vermischung von Luft und Brennstoff führen.
Zum Stand der Technik wird noch auf die GB-PS 5 22 313 hingewiesen, die einen abgestuften Brennraum
mit abgerundeten Kanten der Abstufungen offenbart, sowie auf die DE-PS 12 11 435, aus der ein Brennraum
mit einem kreisförmigen unteren Abschnitt und einem
verengten, im Querschnitt polygonalen Halsabschnitt von geringer Tiefe bekannt ist, bei dem um die
Brennraumlängsmittelachse kreisende Verbrennungsluft einen auf die Brennraumwandung aufgetragenen
Brennstoffüm ablöst und sich mit dem dann dampfförmigen
Brennstoff mischt
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher
erläutert.
F i g. 1 ist ein senkrechter Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Brennraum;
Fig.2 ist eine Draufsicht auf den Kolbenboden gemäß F i g. 1;
F i g. 3 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen dem Verhältnis der Tiefe der
polygonalen Aussparung zu derjenigen der kreisringförmigen Aussparung und dem Turbulenzgrad in beiden
Aussparungen;
F i g. 4 ist ein senkrechter Teilschnitt zur Erläuterung der Vermischung des durch die Einspritzdüse eingespritzten
Brennstoffs mit Luft;
F i g. 5 zeigt eine entsprechende Draufsicht;
Fig.6 veranschaulicht in einem senkrechten Teilschnitt
den Einspritzwinkel der Einspritzdüse;
F i g. 7 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Beziehung der Auspuffgasfarbe und des relativen
Brennstoffverbrauchs zu dem Einspritzwinkel des Brennstoffs;
F i g. 8 bis 11 sind Diagramme zur Veranschaulichung
der Beziehung zwischen dem Einspritzpunkt vor dem oberen Totpunkt einerseits und dem Brennstoffverbrauch
sowie der Auspuffgasfärbung andererseits.
In Fig. 1 ist mit 2 eine Zylinderbuchse und mit 4 ein
Zylinderkopf bezeichnet, der eine Brennstoff-Einspritzdüse 14 etwa in seinem Mittelbereich aufweist.
Mit 10 ist ein Kolben bezeichnet, der im oberen Bereich des Kolbenbodens eine viereckige Aussparung
11 aufweist, die in eine untere, kreisringförmige Aussparung 12 übergeht, die zusammenhängend und in
senkrechter Richtung untereinander durch Gießen oder Bearbeiten hergestellt sind.
Die mit dem Radius R abgerundeten Ecken 11a der
oberen, viereckigen Aussparung 11 liegen weiter innen als die inneren Umfangswände 12a der unteren,
kreisringförmigen Aussparung 12 (Fig.2). Die innere Umfangswand 12a ist in senkrechter Richtung der
Aussparung 12 gleichmäßig und durchgehend gekrümmt, und geht in einer gleichmäßigen Krümmung 13
glatt in die innere Umfangswand Ub (Fig.4) der
oberen, viereckigen Aussparung 11 über. Die untere ausgerundete Aussparung 12 weist einen Boden \2b auf,
der mit einem konvexen oder angehobenen Querschnitt versehen ist.
Bei der dargestellten Ausführungsform veist die obere, viereckige Aussparung 11 eine Tiefe D und die
untere, kreisringförmige Aussparung eine Tiefe H auf, bei denen das Verhältnis von D/Hetwa 0,75 beträgt.
Die innere Umfangswand llbder oberen viereckigen
Aussparung 11 überragt die innere Umfangswand 12a der unteren, kreisringförmigen Aussparung 12 um einen
Wert Z.
Brennstoffstrahlen werden in Richtung auf die Krümmung 13 oder einen Bereich etwas unterhalb der
Krümmung 13 abgegeben.
Auf diese Weise entsteht ein oberer großer Wirbel A innerhalb der viereckigen Aussparung 11, und Luftturbulenzen
B mit kleineren Abmessungen bilden sich in den ausgerundeten Ecken 11a, während ein unterer
großer Wirbel C innerhalb der unteren, kreisringförmigen Aussparung 12 entsteht
Zugleich können sich Luftturbulenzen D' und E mit kleineren Abmessungen an der gekrümmten inneren
Umfangswand 12a und der Krümmung 13 bilden.
Wehrend des Ansaughubes entstehen der obere große Wirbel A und der untere große Wirbel C in bei
Ansaugvorgängen bekannter Weise. Aufgrund einer starken Reibung zwischen dem oberen großen Wirbel A
ίο und den Seiienwänden lic der oberen Aussparung U
wird die Wirbelbewegung des oberen Wirbels A gebremst so daß die Intensität des unteren großen
Wirbels C stärker als diejenige des oberen Wirbels A wird.
Aufgrund der Wirbelgeschwindigkeit des unteren Wirbels C die größer als diejenige des oberen Wirbels
A ist entsteht eine Turbulenz aufgrund einer Scherströmung zwischen dem oberen Wirbel A und dem unteren
Wirbel C
Die Intensität der Turbulenz aufgrund der Scherströmung ändert sich in Abhängigkeit von dem Verhältnis
D/H, d.h. dem Verhältnis der Tiefe D der oberen Aussparung 11 zu der Tiefe H der unteren, kreisringförmigen
Aussparung 12.
Fig.3 zeigt den Turbulenzgrad, der sich durch
Änderung des Verhältnisses D/H ergibt, wobei das Verhältnis des Innenradius rder unteren Aussparung 12
zu dem Radius Ro des in die obere, viereckige Aussparung 11 einbeschriebenen Kreises, d. h. r/Ro bei
1,2 liegt. Aus dem Diagramm der Fig. 3 geht hervor, daß eine befriedigend starke Luftturbulenz erzeugt
wird, wenn das Verhältnis D/H im Bereich von 0,3 bis 1,2 liegt. Vorzugsweise liegt das Verhältnis D/H im Bereich
von 0,5 bis 1,0.
Bei dem Diagramm der Fig.3 wird der Turbulenzgrad
ermittelt durch Division der senkrechten Reynoldsschen Scherspannung durch das Quadrat der
mittleren Wirbelströmung.
Da sich das Maß des Überhanges Z in Umfangsrichtung ändert, ändert sich auch die Intensität der
Turbulenzen D' und E mit kleineren Dimensionen in Umfangsrichtung, so daß Scherspannungen in diesen
Bereichen entstehen und die Turbulenzen D' und E komplizierter werden.
Es können daher verschiedene Arten von Wirbeln und Turbulenzen im Brennraum erzeugt werden, so daß
der Luftstrom im Brennraum verstärkt wird und damit die Brennstoff-Verbrennungsgeschwindigkeit erhöht
wird, und der Brennstoffverbrauch kann verringert werden, so daß die Bildung von schwarzem Auspuffgas
ausgeschaltet wird.
Anschließend soll ein bestimmter Verbrennungsprozeß erläutert werden.
Wie aus Fig. 4 hervorgeht, werden von der Einspritzdüse 14 kommende Brennstoffstrahlen an der
Krümmung 13 zwischen den Aussparungen verteilt oder getrennt, die somit als Grenze zwischen zwei Strömungsrichtungen
dient, deren eine in ciie obere, viereckige Aussparung 11 und deren andere in die
untere, kreisringförmige Aussparung 12 gerichtet ist
Die Brennstoffstrahlen treten schräg von oben in den Brennraum ein, so daß sie zunächst durch den oberen
großen Wirbel A hindurchgehen, der auch als Bereich langsamer Wirbelgeschwindigkeit bezeichnet werden
kann, und sodann durch den Turbulenzbereich F hindurch den unteren Wirbel Cerreichen, der eine hohe
Wirbelgeschwindigkeit aufweist.
Da die Brennstoffstrahlen auf die Krümmung 13 oder
einen Bereich etwas unterhalb dieser Krümmung auftreffen, gehen sie für die längste Zeit durch den
mittleren Wirbelbereich F hindurch. Intensive Vermischung von Brennstoff und Luft erfolgt, wenn die
Brennstoffstrahlen durch den Turbulenzbereich F hindurchgehen.
F i g. 5 zeigt den Vorgang der Vermischung des durch die Einspritzdüse eingespritzten Brennstoffs mit Luft.
Brennstoffstrahlen gehen durch einen Wirbelbereich mit langsamer Geschwindigkeit G hindurch, ohne durch
den Wirbel mitgenommen zu werden, und treten sodann in den Wirbelbereich Wein, in dem sie in zufriedenstellender
Weise mit Luft durch Turbulenzen vermischt werden, während sie durch den Wirbel in gewissem
Ausmaß mitgenommen werden. Jedoch können verhältnismäßig grobe Brennstoffteilchen nicht ausreichend
mit Luft vermischt werden, und zwar auch nicht im Luft-Turbulenzbereich. Daraufhin treffen grobe Brennstoffteilchen
auf den Hochgeschwindigkeits-Luftstrom in dem Wirbelbereich C, so daß die Zerteilung,
Zerstäubung und Verdampfung der Brennstoffteilchen beschleunigt und diese in ausreichendem Maße im
Bereich /mit Luft vermischt werden.
Der Durchsatz der Brennstoffstrahlen durch den Luftturbulenzbereich und der Durchgangszustand können
gesteuert werden durch Änderung des Einspritzwinkels θ gemäß F i g. 4.
Wenn der obere Einspritzwinkel θι und der untere
Einspritzwinkel B2 in bezug auf die Krümmung 13 zur
Messung der Farbe des Auspuffgases und des relativen Brennstoffverbrauches geändert werden, tritt das in
F i g. 7 gezeigte Ergebnis ein.
Dieses Diagramm zeigt, daß ein zufriedenstellendes Ergebnis erzielt werden kann, wenn der obere
Einspritzwinkel θι etwa 5° und der untere Einspritzwinkel
Θ2 bis etwa 14° beträgt. Ein vorzuziehender Einspritzwinkel liegt im Bereich von 0° bis etwa 4°.
Zur Erhöhung der Verbrennungsgeschwindigkeit des Brennstoffs nach der Zündung ist es notwendig, den
Brennstoff zu verbrennen, der in allen Bereichen des *o
Brennraumes nach Beendigung der Einspritzung verbleibt.
Diesem Zweck dient die erwähnte lokale Anwesenheit von Turbulenzen im Brennraum, aber die
Anwesenheit von Wirbeln ist wichtig für den Vermischungseffekt insgesamt.
Bei der beschriebenen Ausführungsform bewegt sich der untere, große Wirbel C innerhalb der unteren
Aussparung 12, der eine hohe Geschwindigkeit aufweist, bei Beendigung des Einspritzvorganges und Beginn des
Abwärtshubes des Kolbens aus dem unteren Bereich des Brennraumes in Richtung der oberen, viereckigen
Aussparung 11, so daß die Brennstoffteilchen ausreichend mit Luft vermischt und die Verbrennungsgeschwindigkeit
weiter erhöht wird. Zugleich tritt ein Luftstrom ein, der einem Verdrängungseffekt äquivalent
ist, so daß Luftturbulenzen mit kleinen Abmessungen im unteren Bereich der oberen Aussparung 11
gebildet werden.
Die untere, kreisringförmige Aussparung 12 dient eo
nicht nur zur Erzeugung einer Wirbelgeschwindigkeitsdifferenz
zwischen dem oberen großen Wirbel A und dem unteren großen Wirbel C sondern auch als
Speicherkammer für einen Hochgeschwindigkeitswir^' bei zur Bildung erneuter Wirbel im gesamten Brennraum
während des Abwärtshubes des Kolbens.
Selbst wenn das Verhältnis R/Ro zwischen dem die abgerundeten Ecken 11a ausrundenden Radius zu dem
in die obere Aussparung U einbeschriebenen Radius verringert wird, ergibt sich kein wesentlicher Verlust
von Wirbelenergie im gesamten Brennraum wegen des Hochgeschwindigkeitswirbels Cin der unteren Aussparung
12.
Messungen des Brennstoffdurchsatzes und der Auspuffgasfarbe wurden durchgeführt unter Verwendung
des Brennraumes der Erfindung, eines herkömmlichen viereckigen Brennraumes und eines kreisringförmigen
Brennraumes bei gleichzeitiger Änderung der Einspritz-Zeitsteuerung bei hoher und niedriger Drehzahl.
Die Versuchsergebnisse sind in den Fig.8 bis 11
gezeigt. Mit A ' sind die Ergebnisse bei kreisringförmigem Brennraum, mit B ' die Ergebnisse bei viereckigem
Brennraum, mit C die Ergebnisse bei einem Brennraum gemäß der beschriebenen Ausführungsform bezeichnet.
F i g. 8 und 9 zeigen die Ergebnisse bei hoher Drehzahl, während sich F i g. 10 und 11 auf Versuche mit niedriger
Drehzahl beziehen.
Der den Messungen zugrunde gelegte Brennraum wies einen Radius Ro des einbeschriebenen Kreises der
oberen viereckigen Aussparung 11 von 27 mm, einen Ausrundungsradius R in den Ecken 11a des Quadrates
von 10 mm, eine Tiefe Oder oberen Aussparung 11 von
11,3 mm, einen Radius r der unteren Aussparung 12 von
30,5 mm und eine Tiefe H der unteren Aussparung 12 von 9 mm auf.
Die Diagramme lassen erkennen, daß der erfindungsgemäße Brennraum den herkömmlichen Brennräumen
in bezug auf Brennstoffverbrauch und Auspuffgasfarbe sowohl bei hoher Drehzahl als auch bei niedriger
Drehzahl überlegen ist.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung ergibt sich ein oberer großer Wirbel A in der oberen Aussparung 11
und ein unterer großer Wirbel C in der unteren Aussparung 12, und Turbulenzen B mit kleineren
Abmessungen ergeben sich in den Ecken 11a des Quadrates, wobei die Wirbelgeschwindigkeit des unteren
großen Wirbels Chöher als die Wirbelgeschwindigkeit des oberen großen Wirbels A ist und Turbulenzen F
aufgrund einer Scherströmung zwischen beiden erzeugt werden, so daß die Brennstoffteilchen und Luft durch
die Turbulenz F vermischt werden und die Verbrennungsgeschwindigkeit nach der Zündung des Brennstoffs
erhöht werden kann. Dadurch wird der Ausstoß von NOx verringert, und das bei der Verbrennung
eintretende Geräuschniveau wird reduziert Selbst wenn daher die Brennstoffeinspritzung in gewissem Maße
verzögert wird, können der Brennstoffverbrauch verringert und die Auspuffgasfarbe aufgehellt werden.
Da erfindungsgemäß die obere Aussparung 11 im wesentlichen ein Quadrat darstellt und die untere
Aussparung 12 kreisringförmig ist und der Wirbel C in der unteren Aussparung mit hoher Geschwindigkeit
erzeugt wird, kann dieser untere Wirbel C beim Absenken des Kolbens in die obere Aussparung 11
eintreten, so daß Wirbel durch den gesamten Brennraum hindurchgehen und ermöglichen; daß Brennstoffteilchen,
die nach der Beendigung des Einspritzvorganges zurückgeblieben sind, vollständig verbrannt werden.
Aus diesem Grunde kann die Verbrennungsgeschwindigkeit
nach der Zündung weiter gesteigert werden, so daß wiederum der Brennstoffverbrauch gesenkt und die
Auspuffgasfarbe aufgehellt wird
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentanspruch:Brennraum im Kolben einer luftverdichtenden selbstzündenden Brennkraftmaschine mit einer mehrere Düsenöffnungen aufweisenden Brennstoff-Einspritzdüse, die im wesentlichen im Bereich der Brennraumlängsmittelachse angeordnet ist und deren Düsenöffnungen Brennstoffstrahlen radial gegen die Wände des Brennraums abgeben, und mit Luftwirbelbildung im Brennraum, wobei eine den Brennraum definierende Kolbenaussparung in ihrem oberen, an den Kolbenboden angrenzenden Bereich einen im wesentlichen einem Quadrat angenäherten Querschnitt mit Eckenausrundungen von verhältnismäßig kleinem Radius aufweist und in ihrem unteren Bereich mit kreis- bzw. kreisringförmigem Querschnitt ausgebildet ist und der die größte Abmessung des urneren Bereichs bestimmende erste Radius von einem zweiten Radius abweicht, der einem die Eckenausrundungen des dem Quadrat angenäherten Querschnitts umschreibenden Kreis zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Radius (r) größer als der zweite Radius ist, daß die Seitenwände des Aussparungsbereichs (11) mit dem dem Quadrat angenäherten Querschnitt in diesem Aussparungsbereich (11) eine erste Wirbelkammer zur Erzeugung eines um die Brennraumlängsmittelachse umlaufenden ersten Luftwirbels (A) definieren und mittels einer gekrümmten Fläche (13) in den Aussparungsbereich (12) von kreis- bzw. kreisringförmigem Querschnitt übergehen, der eine zweite Wirbelkammer zur Erzeugung eines zweiten, gleichsinnig mit dem ersten Luftwirbel (A), jedoch mit höherer Geschwindigkeit als dieser umlaufenden Luftwirbels (C) bildet, daß die Brennstoffstrahlen der Einspritzdüse (14) im wesentlichen auf die gekrümmte Fläche (13) gerichtet sind und daß das Verhältnis zwischen der Höhe (D) der ersten Wirbelkammer und der Höhe (H) der zweiten Wirbelkammer zwischen 0,3 und 1,2 beträgt.
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