DE3112619A1

DE3112619A1 - Gerippter vorkammereinsatz fuer dieselmotoren

Info

Publication number: DE3112619A1
Application number: DE19813112619
Authority: DE
Inventors: William Richard 90025 Los Angeles Calif. Wagner
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1980-03-31
Filing date: 1981-03-30
Publication date: 1982-06-16
Also published as: JPS56151215A; FR2479326A1

Description

79R71

ROCKWELL INTERNATIONAL CORPORATION El Segundo, California, USA

Gerippter Vorkammereinsatz für Dieselmotoren

Die vorliegende Erfindung betrifft Dieselmotoren vom Vorkammertyp und insbesondere Verbesserungen des Vorverbrennungsraums, die zu einer größeren Effizienz führen.

Bei Dieselmotoren, die nach dem Vorkammersystem gebaut sind, ist der Verbrennungsraum geteilt, und zwar in einen dem Zylinderkopf einverleibten Vorverbrennungsraum und einen Hauptverbrennungsraum, der zwischen der Unterkante des Zylinderkopfes und der Oberseite oder dem Scheitel der Kolben positioniert ist. Der Vorverbrennungsraum, in den der Brennstoff eingespritzt wird und in dem lediglich eine teilweise Verbrennung stattfindet, ist mit dem Hauptverbrennungsraum mittels eines engen Schlitzes oder Strömungskanals verbunden.

Beim Betrieb wird durch die Bewegung des Kolbens in Richtung auf den Zylinderkopf hin Luft in den Vorverbrennungsraum gepreßt und bei Beendigung dieses Kompressionstaktes wird Brennstoff in den Vorverbrennungsraum eingespritzt. Anschließend schreitet eine Flammenfront nach unten voran, und zwar aus dem Vorverbrennungsraum durch einen Strömungskanal in einen zweiten Verbrennungsraum, der im Kolbenkopf ausgebildet ist. Die Verbrennung dieser Brennstoff-Luft-Kombination erzeugt den Schub, der zur Schaffung des Krafthubs des Kolbens erforderlich ist.

Es soll darauf hingewiesen werden, daß sowohl der Vorverbrennungsraum als auch die Strömungskanäle, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, verglichen mit den entsprechenden Teilen der vorliegenden Erfindung eine signifikant unterschiedliche Geometrie aufweisen. Der Vorverbrennungsraum 50, der in der US-PS 4 122 804 beschrieben wird, hat eine fast kugelförmige Form anstatt der länglich zylindrischen Geometrie des vorliegend beanspruchten Verbrennungsraums. Außerdem ist darauf hinzuweisen, daß in dem Strömungskanal 72 spitze Winkel vorliegen sowie scharfkantige Mündungen an der Stelle, wo der Strömungskanal mit dem Vorverbrennungsraum in Verbindung steht. Dieser auf das Grundsätzliche vereinfachte Aufbau von Vorverbrennungsraum und Strömungskanal führt zu inhärenten Problemen im Hinblick auf die Effizienz sowie hinsichtlich einer unvollständigen Verbrennung.

Es ist folglich Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Vorkammereinsatz zu schaffen, der thermisch von dem Dieselmotor isoliert ist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Vorkammereinsatzes, der wenigstens eine abstehende Rippe aufweist, die entlang der Peripherie des Vorkammereinsatzes in der Weise angeordnet ist, daß ein Luftspalt zwischen dem Vorkammereinsatz u·;,

dem Dieselmotor erzeugt wird. Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen hocheffizienten Dieselmotor zu schaffen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Dieselmotor zu schaffen, der den Brennstoff vollständiger verbrennt. Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Dieselmotor zu schaffen, bei dem der Ausstoß an teilchenförmigen! Material signifikant verringert ist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Dieselmotor zu schaffen, bei dem die Bildung von Stickoxiden verringert ist. Schließlich ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Vorverbrennungsraum zu schaffen, in den der Brennstoff axial eingespritzt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Dieselmotor-Vorkammer gelöst, welche einen Vorkammereinsatz sowie wenigstens eine äußere, abstehende Rippe umfaßt, die zur thermischen Isolation des Vorkammereinsatzes von dem Dieselmotor dient. Obwohl die abstehende Rippe auch der Vorkammer selbst einverleibt sein kann, wird die Ausfuhrungsform bevorzugt, bei der die abstehende Rippe entlang der äußeren Wand des Vorkammereinsatzes selbst einstückig angeordnet ist. Die abstehende Rippe isoliert den Vorkammereinsatz thermisch von dem Dieselmotor dadurch, daß sie einen Luftspalt erzeugt, der den größten Teil der Peripherie des Vorkammereinsatzes bedeckt. Dadurch wird ein "Wärmefluß vom Vorkammereinsatz zu dem umgebenden Wasserkühlmantel (oder der kühlenden Luft) verhindert, was dazu führt, daß bis zu etwa 90% der Hitze in dem Vorbrenner, welcher eine Form mit großer Länge pro Durchmesser (L/D) aufweist, zurückgehalten werden können.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Explosionsansicht eines gerippten Vorkammereinsatzes;

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines in einen Dieselmotor eingesetzten Vorkammereinsatzes;

Fig. 3a eine schematische Ansicht einer dreieckig ausgebildeten Abstandsrippe;

Fig. 3b eine schematische Ansicht einer trapezoid ausgebildeten Abstandsrippe;

Fig. 3c eine schematische Ansicht einer kuppeiförmig ausgebildeten Abstandsrippe;

Fig. 3d eine schematische Ansicht einer scharfkantig ausgebildeten Abstandsrippe; und

Fig. 4 eine graphische Darstellung, in der der Hitzeverlust der Vorkammer gegen den Luftspaltabstand sowie der prozentuale Leistungsverlust gegen den Luftspaltabstand aufgetragen sind.

In den Figuren sind gleiche Elemente oder Teile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, während ähnliche Elemente oder Teile gestrichene Bezugszeichen aufweisen.

Unter Bezugnahme auf Flg. 1 wird eine bevorzugte Ausführungsform näher erläutert. Fig. 1 zeigt als schematische Explosionsansicht einen allgemein mit 10 bezeichneten Vorkammereinsatz. Der Vorkammereinsatz 10 umfaßt den allgemein mit 12 bezeichneten Körper des Vorkammereinsatzes und die allgemein mit 14 bezeichnete Kuppel des Vorkammereinsatzes. Entlang der Außenwand 16 sind Abstandsrippen 18 angeordnet, die den Zweck haben, den Vorkammereinsatz 10 von dem Dieselmotor 20 gemäß Fig. 2 thermisch zu isolieren. Es ist darauf hinzuweisen, daß die vorspringenden Rippen 18 sowohl in Längsrichtung entlang der Peripherie des Vorkammereinsatzes 10 angeordnet sein können als auch gemäß Fig. 2 in Form einer einzigen, spiralförmig gewickelten Rippe 18'. Zusätzlich ist darauf hinzuweisen, daß die Abstandsrippen 18 auch entlang der Innenwand der Vorkammer 22 angeordnet sein körnen statt auf dem Vorkammereinsatz 10 selbst.

Die Pig. 3a bis 3d zeigen beispielhafte Abstandsrippen für den Vorkammereinsatz. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Abstandsrippen 18 eine beliebige, im allgemeinen geometrische Form aufweisen können; es ist jedoch wichtig, eine möglichst kleine Berührungsfläche 24 der Rippen 18 anzustreben und aufrechtzuerhalten. Dadurch, daß man die Kontaktfläche 24 so gering wie möglich hält, kann der Wärmeübergang zwischen dem Vorverbrennungsraum und dem Dieselmotor signifikant verringert werden.

Obwohl der Vorverbrennungsraum 26 eine beliebige, herkömmliche Form haben kann, so ist doch die bevorzugte Form für diesen Vorverbrennungsraum 26 zylindrisch* Außerdem ist eine gesteigerte Leistungsfähigkeit zu erwarten, wenn der zylindrisch geformte Vorverbrennungsraum 26 einen kuppeiförmigen oberen Bereich gemäß der Zeichnung aufweist, in dem eine Öffnung 28 für ein Einspritzdüse und eine Öffnung 30 für eine Glühkerze ausgebildet sein können. Bei einer besonders bevorzugten Konfiguration des Vorverbrennungsraums erstreckt sich die InjektorÖffnung mit axialer Orientierung durch die Oberseite des kuppeiförmigen Abschnitts 14 und das Länge-zu-Durchmesser(L/D)-Verhältnis liegt im Bereich von etwa 2 bis etwa 5· Das für die vorliegende Erfindung insbesondere bevorzugte L/D-Verhältnis ergibt für den Vorverbrennungsraum ein L/D-Verhältnis von etwa 3 1/2.

Die Fig. 4 zeigt als graphische Darstellung die Beziehung zwischen dem Wärmeverlust der Vorkammer und dem Abstand im Luftspalt (bzw. der Höhe der Abstandsrippe 18) sowie die Beziehung zwischen dem prozentualen Leistungsverlust und dem Abstand im Luftspalt für Wandstärken von 0,25 bis 0,50 Zoll. Aus dieser graphischen Darstellung geht hervor, daß für einen Vorverbrennungsraum mit einem L/D-Verhältnis von 2 und bei einer Abstandsrippenhöhe bzw. bei einem Abstand im Luftspalt von 0,020 Zoll der prozentuale Leistungs-

verlust, der aus dem Wärmeübergang durch die Wand resultiert, etwa 2?6 beträgt. Im Gegensatz dazu liegt für das gleiche Vorverbrennungsraum-L/D-Verhältnis ohne Abstandsrippe der prozentuale Leistungsverlust im Bereich von etwa 10%. Falls man daher einen Vorverbrennungsraum mit einem optimalen L/D-Verhältnis von etwa 3 1/2 und ohne Abstandsrippe bauen würde, so läge der prozentuale Leistungsverlust, der aus dem Wärmeübergang durch die Wand resultiert, in einem Bereich von etwa 20%. Andererseits liegt dann, wenn Abstandsrippen mit einer Höhe von 0,020 Zoll verwendet werden, der Leistungsverlust lediglich in dem Bereich von etwa 4%.

Für dünnwandige Vorkammereinsätze kann der Wärmeverlust q in etwa ausgedrückt werden durch die Beziehung von mittlerer Gastemperatur T_ zu Wandtemperatur E. und zwar gemäß

g w

folgender Gleichung:

E-E
g w

, V T

wobei die folgenden Faktoren definiert sind:

h = Gasfilmkoeffizient des Vorkammereinsatzes

A = Oberfläche der Innenwand des Vorkammereinsatzes * (Oberfläche des Vorverbrennungsraums)

t = Wandstärke des Vorkammereinsatzes

= thermische Leitfähigkeit der Wand des Vorkammereinsatzes

A = mittlere Wandfläche

K_ = Leitfähigkeit des Luftspaltes S = Luftspalt

A = Außenwandfläche des Vorkammereinsatzes Α. = Fläche des Rippenkontakts.

Der erfindungsgemäße Vorkanunereinsatz kann hinsichtlich seiner Leistungsfähigkeit noch weiter verbessert werden, indem man dem Vorkanunereinsatz eine konvergierend-divergierende DeLaval-Düse 32 einverleibt. Der Aufbau und die Wirkungsweise dieser konvergierend-divergierenden DeLaval-Düse ist in einer weiteren Patentanmeldung des Erfinders näher erläutert ( vom 3o. März 1981, Titel: Vorkammereinrichtung mit Schockwellenzerstäubung ; 1A-3462 Amtl. Aktenz.: P ).

Leerseite

Claims

31 126Ή

Patentansprüche

Λ j Vorkamereinrichtung für einen Dieselmotor, gekennzeichnet durch einen Vorkammereinsatz (10) und wenigstens eine äußere Abstandsrippe (18) zur thermischen Isolierung des Vorkammereinsatzes (10) von dem Dieselmotor (20).
2. Vorkammereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsrippe (18) entlang der Außenwand (16) des Vorkammereinsatzes (10) angeordnet ist.
3. Vorkammereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Abstandsrippe (18) bis zu etwa 0,020 Zoll hoch ist.
4. Vorkammereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsrippe (18) als eine spiralförmig gewickelte Rippe (18') ausgebildet ist.
5. Vorkammereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsrippen (18) intermittierend angeordnet sind.
6. Vorkammereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Abstandsrippen (18) nach dem Zufallsprinzip entlang der Außenseite des Vorkammereinsatzes (10) angeordnet sind.