DE2843343A1

DE2843343A1 - Wirbelkammer-dieselmotor

Info

Publication number: DE2843343A1
Application number: DE19782843343
Authority: DE
Inventors: Kyugo Hamai; Masayuki Tamura
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1977-12-20
Filing date: 1978-10-04
Publication date: 1979-06-28
Also published as: US4395983A; GB2010391A; JPS5497504U; GB2010391B

Description

PA ΓE.MTAN WAi-TE A. GRÜNECKER

DlPU-ING.

- 3 - H. KINKELDEY

DR'ING

2843343 w. stockmair

DR-INa · AeE ICALTECH

K. SCHUMANN

Dft RER NAT. - OtPi.- PHYS

P. H. JAKOB

DIPL-iNG.

G. BEZOLD

DR RER NAT- aPL-CHEM.

8 MÜNCHEN

MAXIMILIANSTRASSE

Wirbelkammer-Dieselmotor

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Wirbelkammer-Dieselmotoren.

Wirkelkammer-Dieselmotoren weisen einen Zylinderblock, . einen Kolben, der oszillierend in einem Zylinder des Zylinderblöcks angeordnet ist, einen Zylinderkopf, der auf dem Zylinderblock befestigt ist und den Zylinder verschließt, eine Hauptverbrennungskammer, die im Zylinder zwischen dem Kolben und dem Zylinderkopf gebildet ist, eine allgemein kugelige Wirbelkammer, die im Zylinderkopf gebildet ist, und einen Verbindungskanal auf,

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der im Zylinderkopf gebildet ist, um eine Verbindung zwischen der Haupt- und der Hilfsverbrennungskaitiiner herzustellen. Der Verbindungskanal stellt eine tangentiale Verbindung in die Wirbelkammer derart her, daß während des Verdichtungshubes des Kolbens ein Teil der Luftbeladung in der Hauptverbrennungskammer in die Wirbelkammer längs einer Linie strömt, die ihre Wand tangiert, um in ihrem Inneren einen Wirbel zu erzeugen. Eine Treibstoffeinspritzdüse ist im Zylinderkopf angebracht und öffnet sich in die Wirbelkammer. Innerhalb der Wirbelkammer ist eine Schulter rund um die öffnung des Kanals ausgebildet, an der sich der Kanal in die Wirbelkammer hinein öffnet, und ist auf der Seite angeordnet, die der Seite gegenüberliegt, längs deren Luft in die Wirbelkammer aus dem Verbindungskanal während des Kompressionshubes des Kolbens einströmt. Die Einspritzdüse ist gegen die Schulter gerichtet, um den Strömungsmittelstrahl zum Luftwirbel in der Wirbelkammer hin und längs dieses Luftwirbels derart zu richten, daß der Düsenstrahl nicht unmittelbar durch den Verbindungskanal in die Hauptkammer eintritt. Eine Heiz- oder Glühkerze erstreckt sich in die Wirbelkammer, um nahe dem Treibstoffstrahl Wärme zu erzeugen, um eine Starthilfe zu liefern. Der Kolben ist an seiner Krone mit einer kugelig ausgebildeten Vertiefung ausgebildet. Diese Vertiefung bildet, wenn sich der Kolben in seinem oberen Totpunkt befindet, einen Teil der gesamten Verbrennungskammer. Sie besteht aus napfförmigen Hohlräumen, die an ihren Verbindungsstellen mit der Wirbelkammer in Verbindung stehen. Durch Aufteilen des nachfolgenden Verbrennungsgasstromes aus dem Kanal in zwei Ströme, die rund um die napfförmigen Hohlräume strömen, wird während der Verbrennung eine Art Luftwirbel außerhalb der Wirbelkammer erzeugt; dies fördert den Zutritt der Frischluft zum ausströmenden Treibstoff an.

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In Anbetracht des Betriebes des Dieselmotors, der, wie oben erwähnt, aufgebaut ist, wird während des Kompressionshubes des Kolbens die Luftbeladung in der Hauptverbrennungskammer derart komprimiert, daß ein Teil von ihr durch den Verbrennunskanal in die Wirbelkammer strömt, um hierbei in ihrem Inneren einen Wirbel derart zu erzeugen, daß er komprimiert wird, um eine Hitzezone in der Mitte des Wirbels zu erzeugen. Der Treibstoffstrahl aus der Treibstoffinjektor- oder Treibstoffeinspritzdüse wird in den Wirbel gerichtet, um durch die Wärme gezündet zu werden, die vom Wirbel erzeugt wird. Die nachfolgenden Verbrennungsgase strömen aus dem Verbindungskanal in die Hauptverbrennungskammer, um eine Diffusionsverbrennung·:' zu bewirken.

Wenn im Betrieb der, wie oben erwähnt, aufgebaute Motor bei niedriger Motordrehzahl läuft, wie etwa bei Motorleerlauf, wird der Luftwirbel im Inneren der Wirbelkammer schwach und ist nicht stark genug, so daß der Treibstoff, der aus der Düse eingespritzt wird, sich nicht gut mit der Luft vermischt. Die Treibstofftropfchen neigen deshalb dazu, an der Wirbelkammerwand anzuhaften, wobei sie längs der Wand des Kanales in die Hauptverbrennungskammer strömen, so daß sie somit mit hoher Wahrscheinlichkeit zur Zündung innerhalb der Hauptverbrennungskammer und zum Klopfen führen.

Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Wirbelkammer-Dieselmotor dadurch zu verbessern, daß man eine ungünstige Strömung von Treibstoff in flüssiger Form aus dem Verbindungskanal zur Hauptverbrennungskammer verhindert.

Gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Wirbelkammer in ihrem Inneren eine Vertiefung auf, die Treibstofftropfchen im Inneren der Wirbelkammer auffängt, um sie daran zu hindern, in einen Verbindungskanal einzutreten. Die Ver-

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tiefung ist nahe dem Verbindungskanal angeordnet und steht mit diesem über eine abgerundete Lippe in Verbindung. Diese Anordnung erleichtert es dem Verbrennungsgasstrom, den Treibstoff aus der Vertiefung hineinzusaugen.

Die Erfindung bezieht sich gemäß einem besonderen Aspekt auf einen Wirbelkammer-Dieselmotor. Ein Wirbelkammer-Dieselmotor ist geoffenbart,· der eine Verbrenunngskammer, eine Wirbelkammer und einen Verbindungskanal zu deren Verbindung aufweist. Das auftretende Problem liegt darin, daß, wenn der Motor mit niedriger Drehzahl läuft, sich Treibstofftröpfchen innerhalb der Wirbelkammer ansammeln und längs des Verbindungskanals in die Hauptverbrennungskammer strömen. Um diesen ungünstigen Treibstoffstrom zu verhindern, ist innerhalb der Wirbelkammer zum Aufnehmen der Treibstofftröpfchen eine Vertiefung ausgebildet. Die Vertiefung ist neben dem Verbindungskanal angeordnet und steht mit diesem über eine abgerundete Lippe in Verbindung, um eine Anordnung vorzusehen, die es dem Verbrennungsgas strom erleichtert, den angesammelten Treibstoff aus der Vertiefung abzusaugen. Da der Treibstoff durch den Verbrennungsgasstrom aus der Vertiefung abgesaugt wird, wird eine Verkohlung des Treibstoffes an der Wand der Vertiefung nicht stattfinden.

In den beigefügten Zeichnungen ist

Fig. 1 eine Ansicht eines TeilSchnitts durch einen herkömmlichen Wirbelkamraer-Dieselmotor,

Fig. 2 die Ansicht eines Querschnitts durch den Motor der Fig. 1, wobei die Form der Verbrennungskammerhöhlung gezeigt ist,

Fig. 3 die Ansicht eines Teilschnitts ähnlich

Fig. 1, wobei ein erstes bevozugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dieselmotors gezeigt ist,

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Fig. 4 eine Ansicht ähnlich Fig. 3, wobei ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt ist,

Fig. 5 eine Ansicht ähnlich Fig. 3 ist und ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

Bevor man in die Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eintritt, wird der herkömmliche Wirbelkammer-Dieselmotor im Zusammenhang mit Fig. 1 und 2 erläutert, um das Merkmal bzw. den Gegenstand der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik klarzumachen.

Ein Wirbelkammer-Dieselmotor, der in diesen Figuren gezeigt ist, umfaßt einen Zylinderblock 1, einen Kolben 2, der oszillierend im Zylinder beweglich ist, der im Zylinderblock 1 angeordnet ist und einen Zylinderkopf 4, der am Zylinderkopf 1 dicht am Zylinder derart befestigt ist, daß eine Hauptverbrennungskammer 3 im Zylinder zwischen der Krone des Kolbens 2 und dem Zylinderkopf 4 gebildet wird. Im Inneren des Zylinderkopfes ist eine Wirbelkammer 5 ausgebildet, die mit der Hauptverbrennungskammer 3 durch einen Verbindungskanal 6 in Verbindung steht, der auch durch den Zylinderkopf 4 hindurchgehend gebildet ist. Der Kanal 6 ist derart geformt und geneigt, um während des Kompressionshubes des Kolbens es einem Teil der Luftbeladung innerhalb der Hauptverbrennungskammer 3 zu gestatten, in die Wirbelkammer 5 längs einer Linie einzutreten, die eine Tangente zur Wirbelkammer bildet, um hierbei eine Verwirbelung in der Wirbelkammer 5 zu bilden. Eine Treibstoffinjektor- oder Treibstoffeinspritzdüse 7 ist am Zylinderkopf 4 angebracht, wobei ihre Mündung bzw. Ausblasöffnung mit der Düsen-

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kammer 5 in Verbindung steht. Die Treibstoffeinspritzdüse 7 zeigt auf die Wirbelkammerwand 5, die neben einer Schulter 8 angeordnet ist und derart geneigt ist, daß der Treibstoffstrahl, der von der Treibstoffeinspritzdüse 7 aus eingespritzt wird, längs des Luftwirbels im Inneren der Wirbelkammer 5 gerichtet sein kann, und nicht unmittelbar in die Hauptverbrennungskammer 3 eintritt. Eine Heiz- oder Glühkerze 9 erstreckt sich in die Wirbelkammer 5 hinein, um dicht am Treibstoff Wärme zu erzeugen, um eine Starthilfe zu bieten. Der Kolben 2 ist an seiner Krone mit einer Vertiefung 10 mit kugeliger Formgebung ausgebildet. Diese Vertiefung 10 bildet, wenn sich der Kolben 2 an seinem oberen Totpunkt befindet, einen Teil der gesamten Verbrennungskammer.

Sie besteht aus zwei napfförmigen Hohlräumen, die an ihren Verbindungsstellen mit der Wirbelkammer 5 in Verbindung stehen. Indem der nachfolgende Verbrennungsgasstrom aus dem Verbindungskanal 6 in zwei Ströme aufgeteilt wird, die rund um die napfförmigen Hohlräume fließen, wird ein gewisses Maß an Luftverwirbelung während der Verbrennung außerhalb der Wirbelkammer 5 erzeugt; dies regt die Zufuhr von Frischluft zum austretenden Treibstoff an.

Angesichts des Betriebes des herkömmlichen Dieselmotors wird während des Kompressionshubes des Kolbens 2 die Luftbeladung innerhalb des Hauptverbrennungsraumes 3 derart komprimiert, daß ein Teil hiervon durch den Verbindungskanal 6 in die Wirbelkammer 5 strömt, um hierbei in deren Inneren einen Luftwirbel derart zu erzeugen, daß dieser komprimiert wird, um eine Wärmezone in der Mitte des Wirbels zu erzeugen. Der Treibstoffstrom, der von der Treibstoffdüse 7 aus eingespritzt wird, wird in den Wirbel gerichtet, um durch die Wärme gezündet zu werden, die durch den Wirbel erzeugt wird. Die nachfolgenden Verbrennungsgase strömen aus dem Verbindungskanal 6 in die Hauptverbrennungskammer 3, um eine Diffusionsverbren-

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nung zu erzeugen. Das zu lösende Problem liegt darin, daß, wenn der Motor bei niedriger Drehzahl läuft, wie etwa im Leerlauf, der Wirbel der Luftbeladung innerhalb der Wirbelkammer 5 schwach ist, so daß die Treibstofftröpfchen, denen es nicht gelungen ist, von der wirbelnden Luft getragen zu werden, mit hoher Wahrscheinlichkeit an der Wand nahe der Schulter 8 anhaften, in flüssiger Form längs der Wand des Kanales 6 zur Hauptverbrennungskammer 3 hin fließen und zu einer Zündung innerhalb der Hauptverbrennungskammer 3 und zu Klopfvorgängen führen.

Die bevorzugten Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend im Zusammenhang mit Fig. 3 bis 5 beschrieben, bei denen dieselben Bezugszeichen verwendet sind, wie sie in Fig. 1 und 2 verwendet sind, um Teile zu bezeichnen, die denen, die in Fig. 1 und 2 gezeigt sind, ähnlich sind.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist,ist eine Vertiefung 11 in diesem Bereich etwa in der Nähe der öffnung eines Verbindungskanals 6 und nahe einer Schulter 8 ausgebildet, an der die Treibstofftröpfchen, denen es nicht gelungen ist, durch die wirbelnde Luft mitgerissen zu werden, auftreffen, wenn der Motor bei niedrigen Drehzahlen läuft, wie etwa dann, wenn der Motor im Standgas, läuft. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Vertiefung 11 auf einer . geraden Linie (X) angeordnet, die sich von einar Treibstoff einspritzdüse 7 aus erstreckt. Sie besteht aus einem Hohlraum,der in den Zylinderkopfkörper von der Wand aus eingesenkt oder eingedrückt ist, die sich allgemein längs der Bahnen krümmt, längs deren sich die Luft innerhalb der Wirbelkammer bewegen wird.

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An dem Teil der Öffnung des Kanals 6, der nahe der Vertiefung 11 angeordnet ist und in diese hinein eine Verbindung herstellt, ist die öffnung des Kanales 6 abgerundet, wie etwa an der Stelle 6a, um eine abgerundete Lippe zu bilden. Man hat die abgerundete Lippe 6a zu dem Zweck vorgesehen, das Aussaugen der angesammelten Treibstoff tröpfchen in den Strom brennender Verbrennungsgase zu erleichtern, wenn die Verbrennungsgase aus der Wirbelkammer 5 in die Hauptverbrennungskammer 3 strömen.

Die Anbringung der Glühkerze 9 bei diesem Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von der Glühkerzenanbringung bei dem herkömmlichen Motor, wie in Fig. 1 und 2 gezeigt ist. Wie in Fig. 3 gezeigt, ist die Elektrode der Glühkerze 9 nahe dem oberen Wandabschnitt der Wirbelkammer 5 angeordnet, um nicht das Ausmaß der Verwirbelung der Luft im Inneren der Wirbelkammer 5 zu verringern. Vorzugsweise kann die Elektrode der Glühkerze nahe der Seitenwand der Wirbelkammer angeordnet sein, an der die Vertiefung 11 angeordnet ist, wobei die Spitze der Glühkerze der Vertiefung 11 nahekommt. Mit dieser Glühkerzenanordnung können die angesammelten Treibstofftröpfchen in der Vertiefung 11 durch die Hitze der Glühkerze 9 infolge des Startens des Motors gezündet werden, und die Zündverzögerung kann somit verkürzt werden, verglichen mit dem Fall, in dem die von der wirbelnden Luft angetriebenen Treibstofftropfchen gezündet warden. Dies führt beim Verbrennungsgeräusch zu einer Verringerung.

Wenn der Motor bei niedrigen Drehzahlen läuft, wie etwa dann, wenn der Motor im Leerlauf läuft, dann können die Treibstofftropfchen, denen es nicht gelungen ist, sich mit der wirbelnden Luft in der Wirbelkammer 5 zu vermischen, in der Vertiefung 11 angesammelt werden, weil die Bewegung der wirbelnden Luft in diesem Motorbetriebszustand nicht stark genug ist, um alle Treibstofftröpfchen mitzureißen. Da der aufrechte Vertiefungswandab-

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schnitt, der eine glatte Verbindung zur Wirbelkammerwand herstellt, eine von den Bahnen wegweisende Vertiefung aufweist, längs deren die wirbelnde Luft strömt, werden die angesammelten Treibstofftröpfchen nicht aus der Vertiefung durch den wirbelnden Luftstrom herausgesaugt. Somit werden bei Motorbetrieb bei niedrigen Motordrehzahlen, wie etwa beim Leerlauf, Treibstofftröpfchen daran gehindert, längs der Kanalwand in die Hauptverbrennung skammer 3 zu tropfen, und ein Klopfen oder Nageln beim Leerlauf, wie es oft bei dem in Fig. 1 und 2 gezeigten herkömmlichen Motor auftritt, wird bei dem Motor, der die vorliegende Erfindung verkörpert, verhindert.

Nach der nachfolgenden Zündung der Treibstofftröpfchen, die durch die wirbelnde Luft innerhalb der Wirbelkammer 5 angetrieben bzw. mitgerissen werden, strömen die Verbrennungsgase durch den Verbindungskanal 6 in die Hauptverbrennungskammer 3 und saugen bzw. reißen die gesammelten Treibstofftropfchen aus der Vertiefung 11. Da die gesammelten Treibstofftropfchen jedesmal, nachdem eine Zündung stattfindet, herausgerissen werden, und zur Diffusionsverbrennung in der Hauptverbrennungskammer 3 beitragen, wird ein Verkohlen der Treibstofftröpfchen, die sich in der Vertiefung 11 angesammelt haben, nicht stattfinden, was einen Rauchausstoß verursachen würde. Somit wird mit der Vertiefung 11 und der abgerundeten Lippe 6a die Verkohlung der Treibstofftropfchen 'in der Wirbelkammer 5, was eine Rauchbildung verursachen würde, verhindert, weil alle Treibstofftropfchen, denen es nicht gelungen ist, in der wirbelnden Luft mitgerissen zu werden, in der Vertiefung 11 angesammelt sind, und da derartige angesammelte Treibstofftröpfchen völlig aus der Vertiefung in die Hauptverbrennung gemeinsam jedesmal herausgerissen werden, wenn die Verbrennungsgase durch den Kanal 6 in die Hauptverbrennungskammer 3 strömen.

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Wie oben beschrieben, wurde gemäß der Erfindung die Motorleistung bei niedrigen Motordrehzahlen verbessert. Bei Motorbetrieb unter hohen Drehzahlen wird eine kräftige Verwirbelung ausgebildet, die ausreicht, um allen Treibstoff mitzureißen, der von der Treibstoffdüse aus eingespritzt wird. Somit werden in diesem Betriebszustand keine Treibstofftröpfchen in die Hauptverbrennungskammer 3 tropfen, die längs der Kanalwand fließen. Wenn der Motor bei hohen Motordrehzahlen läuft, dann wird die Vertiefung 11 keine Treibstofftröpfchen aufnehmen, da die Bewegung der wirbelnden Luft während dieses Motorbetriebszustandes stark genug ist, um im wesentlichen; alle Treibstofftröpfchen mitzureißen.

Es wird nun Bezug auf Fig. 4 genommen; das dort dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 darin, daß der Zylinderkopf 4 an seiner Innenwand mit einer Vertiefung 12 ausgebildet ist, die mit einem Kanal 6 in Verbindung steht. Die Vertiefung 12 besteht aus einem derartigen Hohlraum, daß dieser nachfolgende Verbrennungsgase aus dem Kanal 6 beim Diffundieren in den Hauptverbrennungsraum 3 unterstützt. Somit wird eine hinlängliche Diffusionsverbrennung ermöglicht, und die Ausbildung unverbrannter Produkte kann beträchtlich verringert werden. Zusätzlich hierzu kann, da die Verbrennung innerhalb der Vertiefung 12 fortfährt, die unterhalb einer Vertiefung oder einem Trog 11 angeordnet ist, um die Temperatur der Trogwände zu erhöhen, die Verdampfung der angesammelten Treibstoff tropf en innerhalb - des Troges 11 durch diese Wärme derart beschleunigt werden, daß die Motorleistung bei Leerlauftätigkeit verbessert werden kann.

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Vorzugsweise, und wie in Fig. 5 gezeigt, ist eine Auspuff öffnung 14,die mit einem Auspuffventil 13 zusammenwirken kann, in dem Bereich innerhalb der Innenwand des Zylinderkopfes 4 angeordnet, in dem eine Vertiefung 12 ausgebildet ist, um die Spülung der Auspuffgase aus der Hauptverbrennungskammer 3 durch den Auspuff Öffnungskanal 14 zu erleichtern. Dies ist beim Erzielen wirtschaftlichen Treibstoffverbrauches vorteilhaft.

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Claims

PATENTANWÄLTE A. GRUNECKER

DiPL-ING.

H. KINKELDEY

DRING

W. STOCKMAIR

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K. SCHUMANN

OR HER IMAT · DTPU-PHYa

P. H. JAKOB

DlPL-ING

G. BEZOLD

DR RER NAT- OPL-CHEM

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MAXIMILIANSTRASSE

4. Okt. 1978 P 13 137

Nissan Motor Company, Limited

No. 2, Takara-cho, Kanaga^a-ku, Yokohama City, Japan

Ansprüche

Wirbelkammer-Dieselmotor, gekennz eichn e t durch die folgenden Merkmale:

- ein Zylinderblock (1) mit einem Zylinder in seinem Inneren,

- ein Kolben (2), der im Zylinder hin- und herbeweglich ist,

- ein Zylinderkopf (4), der am Zylinderkopf zum Abschließen des Zylinders und zur Bildung einer Hauptverbrennungskammer (3) in diesem Zylinder zwischen dem Kolben und dem Zylinderkopf befestigt ist,

- der Zylinderkopf weist eine Wirbelkammer (5) in seinem Inneren sowie einen Verbindungskanal (6) auf, der die Wirbelkammer und die Hauptverbrennungskammer miteinander verbindet,

eine Glühkerze (9) mit einer Elektrode, die in die Wirbelkammer hineinragt,

- die Wirbelkammer weist in ihrem Inneren eine Vertiefung (11) auf,

- eine Treibstoffeinspritzeinrichtung (7), die derart

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TELEFON (OBO) 2220S2 TELEX 06-2903O TELEGRAMME MONAPAT TELEKOPIERER

angeordnet ist, um einen Treibstoffstrahl zur Vertiefung zu richten, und

die Vertiefung ist nahe dem Verbindungskanal und über eine abgerundete Lippe in Verbidnung mit diesem angeordnet, um eine Anordnung zu ergeben, bei der der Verbrennungsgasstrom Treibstoff aus der Verteifung mitreißen wird, wenn er durch den Verbindungskanal· zum Hauptverbrennungsraum hin hindurchströmt.

2. Wirbelkammer-Dieselmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichent, daß die Elektrode der Glühkerze nahe der Wandeinrichtung angeordnet ist,die die Wirbelkammer begrenzt.

3. Wirbelkammer-Dieselmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode mit einem vorderen Endabschnitt nahe der Vertiefung zum Verdampfen des darin befindlichen Treibstoffes angeordnet ist.

4. Wirbelkammer-Dieselmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkopf an einer Oberfläche, die einen Teil der Hauptverbrennungskainmer bildet, mit einer zweiten Vertiefung (12) ausgebildet ist, die mit einer dritten Vertiefung (10) in Verbindung steht, die an der Kolbenkrone ausgebildet ist, wenn sich der Kolben in seinem oberen Totpunkt befindet, und daß die zweite Vertiefung unterhalb der Vertiefung in der Wirbelkammer · (5) angeordnet ist.

5. Wirbelkammer-Dieselmotor nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Auspuffanordnung,die eine Auspufföffnung (14) umfaßt, die innerhalb des Bereiches angeordnet ist, in dem die zweite Vertiefung (12) ausgebildet ist.

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