DE2809914C2

DE2809914C2 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2809914C2
Application number: DE2809914A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dipl.-Ing. 8000 München Buddenhagen
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 1978-03-08
Filing date: 1978-03-08
Publication date: 1984-09-06
Also published as: IT1112034B; GB2016079A; GB2016079B; JPS632572Y2; IN153660B; IT7920797A0; FR2419396A1; IN153659B; IN153658B; DD142373A1; DE2809914A1; AT380070B; TR20366A; HU181452B; SU1151222A3; CH635894A5; JPS6036528U; SE7902027L; FR2419396B1; IN151235B

Description

liegt, und der den Obergang von der Brennraumwand zum Brennraumboden erzeugende Radius weist eine Länge (r) von 0,321 · D bis 0,446 · D auf, wobei sich sein Ansatzpunkt auf einem gedachten Kreis bewegt, der in einem Abstand ^zwischen 0,054 · Dune 0,179 - Dvon der Brennraumlängsachse (x) und zwischen 0,321 · D und 0,446 · D vom Brennraumboden entfernt liegt.

Zwar ist aus der Literaturstelle »Kraftfahrzeugtechnik 5/76, Seiten 142 bis 145« ein in seinen Abmessungen abgestimmter Brennraum bekannt (vergleiche Bild 5, Ausführung III, Seite 143), in dem aus stiomungsdynamischen Gründen auch die im Oberbegriff des Patentanspruchs erwähnten Sekundärwirbel auftreten müssen und bei dem forma¹, mehrere der in der Lösung der Aufgabe genannten Verhältnisse erfüllt sind. Es liegen beispielsweise die Werte für das Verhältnis d/D. C/D und c/D in den angegebenen Bereichen, deren Bereichsgrenzen jedoch gegenüber dieser Literaturstelle neu sind.

Durch diese Vorveröffentlichung soll Jer Nachweis erbracht werden, daß auch bei Kleindieseimotoren mit Zylinderhubvolumina um 500 cm^J die Direkteinspritzung bei hoher Drehgeschwindigkeit der Verbrennungsluft mit Erfolg anwendbar ist. Eine bewußte Ausnutzung bzw. Beeinflussung der Sekundärwirbel zur Verbesserung der Gemischaufbereitung wird hier nicht angestrebt.

Die Erfindung befaßt sich mit der Möglichkeit, wie man bei einem vorgegebenem Brennraumvolumen mit Hilfe einer gezielten Formgebung der Brennraumkontur die Sekundärströmungen derart beeinflussen kann, daß die günstigsten Verhältnisse für die Gemischbildung, Aufbereitung und Verbrennung geschaffen werden.

Vor allem bestimmt die Brennraumtiefe den Anteil der Sekundärströmungen an der Gesamtströmung (eine große Brennraumtiefe führt zu einem geringen Anteil der Sekundärströmungen, bei einer geringen Brennraumtiefe ist es gerade umgekehrt). Weiterhin hat die Wahl der Neigung der seitlichen Brennraumwand und die Größe des Übergangsradius von der seitlichen Brennraumwand zu den Wandabschnitten im Bereich der Brennraumachse einen Einfluß auf den Beginn des Einsetzens der Sekundärströmungen über der Brennraumtiefe, sowie auf die Anordnung der Wirbelkerne und auf den Stromlinienverlauf der Sekundärwirbel.

Besonders stark ist, wie sich herausstellt, der Einfluß der Sekundärströmungen bei direkt einspritzenden Brennkraftmaschinen, bei denen der Kraftstoff durch eine nahe am Brennraumrand angeordnete Einspritzdüse überwiegend unmittelbar auf die Brennraumwand aufgespritzt wird und sich dort filmartig ausbreitet, weil sich dadurch nahezu der gesamte Kraftstoft im Bereich der Grenzschichtströmung befindet. In diesem Falle ist es sinnvoll, daß die Neigungen der Brennraumwand und des Überganges von der Brennraumwand zum Brennraumboden derart aufeinander abgestimi.it sind, daß eine bestmögliche Filmausbreitung und Ablösung des Kraftstoffes von der Brennraumwand erfolgt und daß das Kraftstoff-Luftangebot über die gesamte Brennraumtiefe in einem gleichmäßig günstigen Verhältnis zueinander steht.

Hieraus geht hervor, daß man von einer absolut einheitlichen Brennraumform abgeht. Diese wird vielmehr immer genau den Betriebsverhältnissen eines Motors entsprechend angepaßt, wobei das Brennraumvolumen und die Brennraumtiefe von besonderer Bedeutung sind.

Wie der Brennraum für ein Verhältnis des Brennraumvolumens zur Brennraumtiefe zwischen 20,00 cm^: und 22,29 cm² auszubilden ist. soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels der Erfindung gezeigt, in der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen Brennraum, in dem die Strömungsverhältnisse der Luft angedeutet sind.

ίο Fig.2 einen Längsschnitt durch den ausführungsgemäßen Brennraum, wobei der Brennraum für einen Motor bestimmt ist, der nach dem Verfahren der Kraftstofr-Wandauftragung arbeitet.

In F i g. 1 ist ein rotationskörperförmiger Brennraum

is 1 dargestellt, der im wesentlichen durch einen eingeschnürten Hals 2, eine seitliche Brennraumwand 3, einen Brennraumboden 4 und eine Krümmung bzw. einen Übergang 5 von der Brennraumwand 3 zum Brennraumboden 4 begrenzt wird. Die Hauptströmung der Verbrennungsluft ist mit ta bezeichnet und bildet einen Drall um die Brennraumlängsachse x. der durch entsprechende Ausbildung des Einlaßkanals oder andere Mittel beim Einströmen der Luft erzeugt wurde. Der Druckgradient Δρ der Hauptströmung ist — von der Brennraumlängsachse χ zur Brennraumwand 3 hin — durch die Fliehkraft positiv.

In der Nähe der Brennraumwand 3 werden die rotierenden Luftteilchen der Hauptströmung ω durch die Reibung an den Wänden (Grenzschichtströmung) abgebremst. Dadurch erleiden diese Schichten, die dadurch langsamer bzw. nicht mehr mit der Hauptströmung rotieren, eine geringere Zentrifugalkraft bzw. stehen nicht mehr unter Fliehkraftwirkung. Sie stehen aber weiterhin unter dem statischen Druck des Hauptwirbels. Dies

J5 hat zur Folge, daß die einzelnen Partikel entlang der Brennraumwand abgedrängt werden, es entstehen in Richtung zum Brennraumboden 4 hin Geschwindigkeitskomponenten Vi und in Richtung zum Brennraumhals 2 hin Geschwindigkeitskomponenten »'2, die schließlich zur Brennraummitte hin abgelenkt werden und so Sekundärwirbel to\, ta₂ bilden. Die Sekundärwirbel tau ta: unterstützen nun die Hauptströmung ω, wodurch die Kraftstoffablösung und Gemischbildung beschleunigt wird. Die Intensität der Sekundärwirbel to\.

oh kann im wesentlichen durch die Stärke der Umlenkung geregelt werden, wodurch der gewünschte Effekt leicht erreichbar ist.

Der Brennraum nach F i g. 2 ist speziell für eine luftverdichtende, direkt einspritzende Brennkraftmaschine ausgelegt, bei der der Kraftstoff als dünner Film auf die Brennraumwand 3 aufgetragen wird und das Verhältnis V/T zwischen 20,00 cm² und 22,29 cm² liegt. Mit V ist dabei das Brennraumvolumen und mit T die Brennraumtiefe bezeichnet. Hier wird die beste Gemischbildung erreicht, wenn der Durchmesser c/des Brennraumhalses 2 das 0,839- bis 0,911 fache, seine Tiefe t das 0,036-bis 0,125fache und die größte Brennraumtiefe 7; gemessen vom Kolbenboden 6 aus, das 0,732- bis 0,839fache des größten Brennraumdurchmessers D beträgt. Der

bo die Neigung der Brennraumwand 3 erzeugende Radius hat eine Länge R von 0,875 · D bis 0.929 · D und sein Ansatzpunkt 7 bewegt sich auf einem Kreis, der einen Abstand B von der Brennraumlängsachse χ von 0,375 · D bis 0,446 · D hat und in einer vom Kolbenbo-

b5 den 6 aus gemessenen Tiefe C von 0,375 · D bis 0,464 · D liegt. Der den Übergang 5 von der Brennraumwand 3 zum Brennraumboden 4 erzeugende Radius schließlich weist eine Länge r von 0,321 ■ D bis

0,446 · D auf und sein Ansatzpunkt 8 bewegt sich auf einem gedachten Kreis, der in einem Abstand b zwischen 0,054 · D und 0,179 · D von der Brennraumlängsachse Ai und zwischen 0,321 · D und 0,446 · D vom Brennraumboden 4 entfernt (fliegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentanspruch:

Brennkraftmaschine, welche im Kolbenboden oder Zylinderkopf einen rotationskörperförmigen, mit einem eingeschnürten Hals versehenen Brennraum aufweist, der am Ende des Verdichtungshubes nahezu die gesamte, in Rotation um die Brennraumlängsachse versetzte Verbrennungsluft aufnimmt, und bei der unter Berücksichtigung des jeweils vorgegebenen Brennraumvolumens der größte Brennraumdurchmesser, die Brennraumtiefc, der Brennraumhalsdurchmesser sowie dessen Tiefe, die Neigung Dzw. Krümmung der Brennraumwand und die Neigung bzw. Krümmung des Überganges von der Brennraumwand zum Brennraumboden derart zueinander abgestimmt sind, daß unter Ausnutzung der zwischen der Brennraumwand und der rotierenden Luft entstehenden Reibung eine Grenzschichtströmung erzeugt wird, durch die senkrecht oder nahezu senkrecht zur rotierenden Drehbewegung der Luft verlaufende, Sekundärwirbel erzeugende Geschwindigkeitskomponenten bestimmter Intensität entstehen, wobei das Verhältnis des Brennraumvolumens zur Brennraumtiefe zwischen 20,00 cm² und 22,29cm² liegt, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: der Durchmesser (d) des Brennraumhalses (2) beträgt das 0,839- bis 0,91) fache, seine Tiefe (t) das 0,036- bis 0,125fache und die größte Brennraumtiefe (T), gemessen vom Kolbenboden (6) aus, das 0,732- bis 0,839fache des größten Brennraumdurchmessers (D), der die Neigung der Brennraumwand (3) erzeugende Radius weist eine Länge (R) von 0,875 · D bis 0,929 · D auf, wobei sich sein Ansatzpunkt (7) auf einem gedachten Kreis bewegt, der in einem Abstand (B) von der Brennraumlängsachse (x) von 0.375 · D bis 0.446 · D und in einer vom Kolbenboden (6) aus gemessenen Tiere (Cj von 0,375 · D bis 0,464 · D liegt, und der den Übergang von der Brennraumwand (3) zum Brennraumboden (4) erzeugende Radius weist eine Länge (r) von 0,321 · D bis 0,446 ■ D auf, wobei sich sein Ansatzpunkt (8) auf einem gedachten Kreis bewegt, der in einem Abstand (b) zwischen 0,054 · D und 0,179 · D von der Brennraumlängsachse (x) und zwischen 0,321 · D und 0.446 · D vom Brennraumboden (4) entfernt liegt.

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, welche im Kolbenboden oder Zylinderkopf einen rotationskörperförmigen, mit einem eingeschnürten Hals versehenen Brennraum aufweist, der am Ende des Verdichtungshubes nahezu die gesamte, in Rotation um die Brennraumlängsachse versetzte Verbrennungsluft aufnimmt, und bei der unter Berücksichtigung des jeweils vorgegebenen Brennraumvolumens der größte Brennraumdurchmesscr, die Brennraumtiefe, der Brennraumhalsdurchmesser sowie dessen Tiefe, die Neigung bzw. Krümmung der Brennraumwand und die Neigung bzw. Krümmung des Überganges von der Brcnnraumwnnd /um Brennraumboden clcrari zueinander abgestimmt sind, dall linier Ausniil/iing der /wischen der IJrentii.!umwand und der rotierenden Luft entstehenden Reibung eine (irenzsehichlstromung erzeugt wird, durch die senkrecht oder nahezu senkrecht zur rotierenden Drehbewegung der Luft verlaufende Sekundärwirbel erzeugende Geschwindigkeitskomponenttn bestimmter Intensität entstehen, wobei das Verhältnis des Brennraumvolumens zur Brennraumtiefe zwischen 20,00 cm² und 22,29 cm² liegt.

In den Zylindern bzw. Brennräumen von Brennkraftmaschinen, insbesondere von direkt einspritzenden Brennkraftmaschinen, herrscht im allgemeinen eine into tensive Luft- bzw. Gasbewegung, die bereits während des Ansaugvorganges eingeleitet wird und für eine gute Gemischaufbereitung, d. h. für eine gleichmäßige Vermischung des Kraftstoffes mit der Verbrennungsluft erforderlich ist.

In den meisten Fällen wird die Luft- bzw. Gasbewegung heute genau gelenkt, um auch gleichzeitig eine gute bzw. geordnete Verbrennung zu erreichen. Dies erfolgt in einfacher Weise beispielsweise dadurch, daß man, wie bereits erwähnt, im Kolbenboden oder Zylinderkopf einen rotationskörperförmigen Brennraum vorsieht und der einströmenden Verbrennungsluft durch bekannte Drallkanäle, Schirmventile oder ähnliches eine Drehbewegung erteilt, die im Brennraum erhalten bleibt. Auch wird der Kraftstoff oftmals unmittelbar in der Nähe der Brennraumwand eingespritzt oder gar als dünner Film direkt auf diese aufgetragen, wo er

durch die rotierende Luft in Dampffomi abgelöst und

mit ihr vermischt wird.

Dabei kommt vielfach eine bestimmte Brennraumgeometrie zur Anwendung, durch welche unter anderem auch die obengenannten mehr oder weniger immer vorliegenden Sekundärströmungen beeinflußt werden. Dabei gilt es, entsprechend dem bei der Auslegung eines Motortyps getroffenen Entscheidungen, ein gegebenes

»5 Brennraumvolunien in dem dafür vorgesehenen Brennraum unterzubringen. Das kann je nach Wahl der Brennraumform in vielfacher Weise geschehen, wobei dies natürlich abhängig vom Verhältnis des Brennraumvolumens zur Brennraumtiefe ist.

Bei derartigen Brennkraftmaschinen hat es sich immer wieder gezeigt, daß die Gemischbildung und damit auch die Verbrennung dennoch unvollständig sind, was sich bekanntlich auf die Leistung, den Wirkungsgrad, den Kraftstoffverbrauch und besonders auf die Abgasqualität auswirkt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Brennkraftmaschine der gattungsgemäßen Art, insbesondere eine direkt einspritzende Brennkraftmaschine, derart zu verbessern, daß durch eine entsprechende Brennraumform die sich ergebenden Sekundärströmungen in ihrer Ausbildung, Anordnung, Intensität bzw. ihrem Stromlinienverlauf so beeinflußt werden, daß eine optimale Aufbereitung der Frischladung und somit Verbrennung im Hinblick auf minimalen Kraftstoffverbrauch und minimale

ν·, Abgastrübung erzielt wird.

Nach der Erfindung wird die Aufgabe durch die Kombination der folgenden Merkmale gelöst: der Durchmesser (d) des Brennraumhalses beträgt das 0.839- bis 0,911 fache, seine Tiefe (t) das 0.036- bis 0.125fache und

Wi die größte Brennraumtiefe (T), geinessen vom Kolbenboden aus das 0,732- bis 0,839fachc des größten Brennraumdurchmesscrs (D), der die Neigung der Brennraumwand erzeugende Radius weist eine Länge (R) von 0.875 ■ D bis 0.929 · D auf, wobei sich sein Ansatzpunkt

hl auf einem gedachten Kreis bewegt, der in einem Ah stand (Ii) von der lireMiinnimliingsiichsc (x) von 0,W) ■ I) bis 0,44h I) und in einer vom Kolbenboden aus gemessenen liefe (C) von 0,375 ■ D bis 0,464 ■ I)