DE2912155A1

DE2912155A1 - Luftverdichtende, selbstzuendende hubkolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2912155A1
Application number: DE19792912155
Authority: DE
Inventors: Eckhard Dipl Ing Haas
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1979-03-28
Filing date: 1979-03-28
Publication date: 1980-10-09
Also published as: GB2045865A; FR2452593B1; FR2452593A1; US4483290A; GB2045865B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine luftverdichtende, selbstzündende Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem annähernd kugelförmigen Nebenbrennraum im Zylinderkopf, der über einen Schußkanal mi>t einem Hauptbrennraum im Zylinder in Verbindung steht, und einer Einspritzdüse, die im wesentlichen diametral gegenüber der Mündung des Schußkanals in dem Nebenbrennraum vorgesehen ist.

Aus der DE-PS 659 160 ist eine Brennkraftmaschine mit Wirbelkammer bekannt» Bei dieser Brennkraftmaschine wird der Brennstoff durch eine sogenannte Zapfendüse in die Wirbelkammer, gespritzt und zwar derart, daß ein Wandauftrag des flüssigen Brennstoffs in der Nähe der Mündung des Schußkanals in die Wirbelkammer entsteht« Durch den relativ langen Schußkanal entsteht in der Wirbelkammer eine starke Drall strömung, die von den Brennstoffstrahlen durchquert werden muß. Von der Drallströmung mitgerissene sowie an der Brennraumwand abprallende Brennstoffteilchen bilden mit der Verbrennungsluft schnell ein Gemisch, welches ebenso schnell verbrennt, dadurch hohe Verbrennungstemperaturen erzeugt, wodurch die Abgase einen hohen Anteil von Stickoxiden aufweisen. Der im Teillastbereich oder bei kaltem Motor vorherrschende Wandauftrag des flüssigen Brennstoffs bedingt weiterhin einen hohen Kohlenwasserstoff anteil im Abgas.

Eine nach diesem Prinzip arbeitende Brennkraftmaschine eignet sich deshalb nur bedingt für den Untertagebetrieb aufgrund des hohen Anteils an schädlichen Komponenten im Abgas. Ebenso erreichen die schädlichen Komponenten im Abgas schon die Grenzwerte, welche in

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einigen Ländern als Höchstgrenze bei Kraftfahrzeugen allgemein zugelassen sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß die schädlichen Komponenten im Abgas reduziert werden, ohne daß ein baulicher Mehraufwand vorgesehen werden muß..

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Einspritzdüse als Zweilochdüse ausgebildet .ist, deren Lochachsen parallel zueinander ausgerichtet sind und im Wesentlichen das Nebenbrennraumzentrum schneiden, und daß die Länge des Schußkanals kleiner als dessen Durchmesser ist. Durch die Ausbildung des Schußkanals in Zusammenhang mit der Einspritzdüse wird in dem Nebenbrennraum keine sehr stark ausgebildete Drallströmung, sondern eine sehr hohe Turbulenzströmung erzeugt, welche zuverlässig verhindert, daß sich Brennstoff als Wandauftrag in dem Nebenbrennraum niederschlägt. Durch die Verhinderung eines Wandauftrags und der wandnahen Gemischbildung werden die Kohlenwasserstoffanteile im Abgas sehr stark verringert. Ebenso wird durch die Brennstoffstrahlform und die Strahlrichtung in Zusammenhang mit den Turbulenzen eine stark luftverteilte Gemischbildung erhalten, welche einen stärkeren Impulsaustausch mit der Verbrennungsluft ergibt, wodurch eine vollständigere Luftausnutzung eintritt, so daß niedrigere Schwarzrauch- und CO-Werte auftreten. Die üblicherweise bei geringem Drall (kalte Maschine, Teillastbereich) vorhandenen hohen Kohlenmonoxidanteile im Abgas können sich durch die starke Turbulenzströmung praktisch nicht bilden.

Eine Erhöhung der Turbulenz wird durch eine Weiterbildung der Erfindung, nämlich durch Mündung dos Schußkanals im wesentlichen mittig in den Nebenbrennraum, erzielt.

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Aufgrund der guten Verbrennung und der niedrigen Schadstoffemission konnte dar. Volumen des Nobenbrennraums am gesamten Kompressionsvolumen auf Werte zwischen 25 % und 35 % gesenkt werden. Daneben hat sich herausgestellt, daß die derart ausgerüsteten Brennkraftmaschinen sehr gute Stiirteigenschaften auf v/eisen, so daß das Verdichtungsverhältnis auf Vierte von Direkteinspritz-Brennkraftmaschinen gesenkt werden konnte, "also nur noch in der Größenordnung, von £ = 16 bis IB liegt.

Wird das Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Schußkanals etwa wie 2 : 3 gewählt und dind die Querschnittsflachen des Schußkanals etwa 1 % der gesamten Kolbenfläche, wie eine Weiterbildung der Erfindung vorschlägt, so wird damit eine weitere Steigerung der Turbulenzen bei einer weiteren Abnahme der gerichteten Drallströmung erreicht. Dadurch können infolge kürzerer Zündverzüge auch bei verbrauchsoptimalem Förderbeginn sehr niedrige Stickoxidemissionen erzielt werden. Ebenso sinkt aufgrund des vergrößerten Schußkanalquerschnitts die Temperatur der Nebenbrennraumteile. Damit eignet sich die Erfindung besonders gut zum Einbau in luftgekühlten Brennkraftmaschinen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die zum Starten vorgesehene Stabglühkerze erst bei deutlich tieferen Temperaturen benutzt werden muß als bei bisher bekannten Bauformen.

Schneiden die Lochachsen der Einspritzdüse das Nebenbrennraumzentrum im Abstand von etwa 0,1 χ Nebenbrennraumdurchmesscr und liegt dor geometrische Auftreffpunkt der Lochachse auf der Nebenbronnraumwand in einem Abstand von etwa 0,1 χ Nebenbrennraumdurchmossor neben der Mündung des Schußkanals, wobei der Auftreffpunkt näher als die Mündung des Schußkanals in den Nebenbrennrauin zur Kolbenlängsachse liegt, so wird dadurch dar Vorteil erreicht, daß die Kraftstoff strahlen derart abgelenkt v/erden,

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daß - box kalter Maschine - der nocht nicht zerstäubte Strahlkern in den Schußkanal sowie teilweise noch in den Kolbenbrennraurn eintreten kann. Damit wird die geometrisch freie Strahllängo auf etwa 1,75 χ Nebenbrennraumdurchiaesser gesteigert, so daß der Impulsaustausch der Brennraumluft mit dem Brennstoff weiter verbessert wird, wodurch die schädlichen Komponenten auch in diesem Betriebsbereich auf ein Mindestmaß reduziert werden können. Damit steht einem Einsat?, einer erfindungsgemäßen ausgebildeten Brennkraftmaschine im Untertagebetrieb nichts mehr entgegen.

In der einzigen Abbildung ist ein schematischer Querschnitt durch einen Zylinderkopf einer luftgekühlten Brennkraftmaschine dargestellt. Der Zylinderkopf 1 besitzt einen Einsatz 2, der einen Nebenbrennraum 3, einen Schußkanal 4 und Bohrungen für eine Einspritzdüse 5 und eine Stabglühkerze 6 aufweist.

Ein bei dieser Nebenbrennraumform zu verwendender Kolben 7 weist eine Brennraummulde B auf, welche ca. 70 % des gesamten Kompressionsvolumens aufnehmen kann.

Die Einspritzdüse 5 ist unter axialer Zwischenschaltung einer Wärmeschutzplatte 5.1 in den Einsatz 2 eingesetzt, wodurch die Umgebung der Düsenöffnungen wärmegeschützt ist, so daß die Düse kühl bleibt und ein Verkoken ausgeschlossen ist. Die Größe der DüsonöfTnungon beträgt etwa 0,3 bis 0,45 mm im Durchmesser. Ihre Größenordnung liögt damit im Bereich der Einspritzdüsen, die bei Direkt-Einspritzmotoren der gleichen Zylinderleistunqj verwendet ■ werden. Dio geometrischen Strahlachsen 9 der beiden Düsenöffnuncjen sind parallel zueinander angeordnet und derart durch den Nr-benbrennraum gerichtet, daß sie etwa 0,1 χ Nebenbrennrnumdurchrr.nr.ser neben dem No»bonbrennrauin:^entrum den Brennraum durchqueren und - theoretisch - in einem Abstand von 0,1 χ Nebonbrennraumdurch-

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messer neben der Mündung des Schußkanals 4 auf die Nebenkammerbrennraumwand auftreffen, wobei der theoretische Auftroffpunkt näher ?,ur Kolbenlängsachse 10 angeordnet ist als die Mündung des Schußkanals 4 in dem Nebenbrennraum.

Der" Schußkanal 4 weist ein Durchmesser/Längenverhältnis von etwa 3 : 2 auf. Da er nicht tangential, sondern nahezu mittig in den Nebenbrennraum 4 mündet, entsteht in dem Brennraum keine hohe Drallströmung in der einströmenden Luft, sondern überwiegend eine turbulente Strömung. Diese führt dazu, daß sich' ein Kraftstoff-Luftgemisch bildet. Durch diese Turbulenzen wird auch verhindert, daß die Kraftstoffstrahlen den Strahlachsen der Düsenöffnungen folgen können und auf die Brennraumwand auftreffen. Vielmehr ergibt sich durch die Turbulenzströmung eine luftverteilte, also wandferne Gemischbildung und damit ein stärkerer Impulsaustausch mit der einströmenden Verbrennungsluft. Dies führt zu einer vollständigeren Luftausnutzung, so daß ein sehr geringer NOx-Anteil im Abgas, der im gesamten Motorkennfeld unter 450 ppm liegt, ebenso ein geringer CH-Anteil, weil kein Wandauftrag des flüssigen Brennstoffs stattfindet, erzielt i«.rd.

Der CH-Anteil im Abgas steigt auch nicht im Teillastbereich oder bei kaltem Verbrennungsmotor an, da durch die Anordnungen der Einspritzdüse 5 und des Schußkanals 4 selbst kleinste Luftströmungen der Verbrennungsluft ausreichen, einen Wandauftrag des flüssigen Kraftstoffs zu vermeiden, da schon kleine Ablenkungen der Kraftstoffstrahlen durch die Verbrenmmgsluft diese in den Schußkanal 4 leiten, so daß die freie Strahl länge von etwa 1,25 χ Nebenbrennraumdurchmesser auf .1,75 χ Nebenbrennrauradurchmesser ansteigt.

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Lfeerseite

Claims

Patentansprüche

i·. I Luftverdichtende, selbstzündende Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem annähernd kugelförmigen Nebenbrennraum im Zylinderkopf, der über einen Schußkanal mit einem Hauptbrennraum im Zylinder in Verbindung steht, und einer Einspritzdüse, die irn wesentlichen diametral gegenüber der Mündung des Schußkanals in dem Nebenbrennraum angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse (5) als Zweilcchdüse ausgebildet ist, deren Lochachsen (9) parallel zueinander ausge-

richtet sind und im wesentlichen das Nebenbrennraumzentrurn schneiden, und daß die Länge des Schußkanals (4) kleiner als dessen Durchmesser ist.
2. Luftverdichtende, selbstzündende Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Schußkanal (4) im wesentlichen mittig in den Nebenbrennraum (3) mündet.
3. Luftverdichtende, selbstzündende Hubkolbenbrennkraftrnaschine nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzei chnet,daß das Volumen des Nebenbrennraumes (3) am gesamten Kompressionsvolumen zwischen 25 % und 35 % liegt.
4. Luftverdichtende, selbstzündende Hubkolbenbrennkraftmaschine nach fi-inbm der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Schußkanals (Ί) etwa wie 2 : 3 ist.

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5. Luftverdichtondc, selbstzündende Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des Schußkanals >(4) etwa 1 % der gesamten Kolbenfläche ist.
6. Luftverdichtende, selbstzündende Hubkolbenbrennkraftmaschine nach e?inem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochachsen der Einspritzdüse (5) das Nebenbrennraumzentrum im Abstand von. etwa 0,1 χ Nebenbrennraumdurchmesser schneiden.
7. Luftvordichtende, selbstzündende Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der geometrische Auftreffpunkt der Lochachsen (9) auf die Nebenraumwand (3) einen Abstand von etwa 0,1 χ Nebenbrennraurndurchmesser neben der Mündung des Schußkanals (4) in den Nebenbrennraum (3) liegt, wobei der Auftreffpunkt näher als die Schußkanalmündung in den Nebenbrennraum (3) zur KolbenlängGachse (10) angeordnet ist.

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