DE3125467A1

DE3125467A1 - Dieselmotor-vorkammer mit vorverdampfung

Info

Publication number: DE3125467A1
Application number: DE19813125467
Authority: DE
Inventors: William Taylor 91301 Agoura Calif. Webber
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1980-06-30
Filing date: 1981-06-29
Publication date: 1982-04-15
Also published as: FR2485626A1; FR2485626B1; SE8103227L; US4300497A; SE8101907L; JPS5749015A

Description

1A-3522
80R18

ROCKWELL INTERNATIONAL CORPORATION El Segundo, California, USA

Dieselmotor-Vorkammer mit Vorverdampfung

Die vorliegende Erfindung betrifft Dieselmotoren. Die Erfindung betrifft insbesondere Einrichtungen, mit denen die Verbrennung des Brennstoffs in Dieselmotoren verbessert wird.

Die zunehmende Sorge wegen der beschränkten Welterdölvorräte hat in den letzten Jahren zu einem gesteigerten Interesse an Dieselmotoren geführt, und zwar wegen ihrer im Vergleich mit herkömmlichen Verbrennungsmotoren besseren Brennstoff ausnutzung und wegen ihrer Fähigkeit, alternative Brennstoffe zu verbrennen. Unglücklicherweise sind die bekannten Dieselmotoren immer noch weit vom Ziel der vollständigen Brennstoffausnutzung entfernt und neigen darüberhinaus dazu, herkömmliche Motoren im Hinblick auf die Bildung teilchenförmiger Emissionen zu übertreffen. Diese Emissionen tragen in signifikanter Weise zur Luftverschmutzung bei. Es ist vielfach versucht worden, die Effizienz von Dieselmotoren

zu verbessern und Ihre Produktion an Schadstoffemissionen zu verringern. Keiner der bekannten Vorschläge hat sich j doch als vollständig zufriedenstellend erwiesen, und die Suche nach verbesserten Lösungen dauert an.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen v® besserten Dieselmotor zu schaffen. Eine weitere g vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Dieselmotors mit einer verbesserten Verbrennungscharakteristik, ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen mit verbessertem Wirkungsgrad hinsichtlich der Brennstoff= ausnutzung zu schaffen. Eine weitere Aufgabe der v@rli den Erfindung ist die Schaffung eines Dieselmotors mit minderten Ausstoß an teilchenförmigen Schadstoff emissionim. Schließlich ist es eine spezielle Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Dieselmotor zu schaffen_P in dem der Brennstoff während eines wesentlichen Abschnitts des Motorbetriebszyklus innerhalb der Vorkammer vorgeheizt und verdampft wird, wobei während dieses Zeitraums di© Vor= kammer durch ein Schleusenventil vom Zylinder isoliert ist«, In der Nähe des Endzeitpunkts des Kompressiongtakt®g wispdL komprimierte Luft aus dem Motorzylinder durch die g@st©u@rt© öffnung des Schleusenventils in die Vorkammer ©Ingelas s©ja° Die Vorkammer ist so geformt, daß ein Vermischen der komprimierten Luft mit dem vorgeheizten und verdampften Bpemist©ff gefördert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eiß.©n Di®s®l= motor sowie ein Verfahren zum Betreiben desselben den Patentansprüchen.

Mit der vorliegenden Erfindung werden die Nachteil© kannten Dieselmotoren vermieden. Es wird ein verbesserter Dieselmotor geschaffen, der eine in hohem Maße verbessert© Verbrennungscharakteristik aufweist, dadurch eine w@s

gesteigerte Brennstoffausnutzung erreicht und gleichzeitig signifikant weniger teilchenförmige Emissionen produziert. Die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden vorzugsweise dadurch erzielt, daß der Brennstoff innerhalb der Vorkammer vorgeheizt und vorverdampft wird, während die Vorkammer vom Motorzylinder während eines wesentlichen Abschnitts des Motorbetriebszyklus isoliert ist, um Druck-und Temperaturbedingungen aufrechtzuerhalten, die für die Verdampfung am besten geeignet sind, woraufhin in der Nähe des Endzeitpunkts des Kompressionstaktes des Kolbens komprimierte Luft aus dem Motorzylinder in die Vorkammer eingelassen wird und wobei die Vorkammer so geformt ist, daß ein Vermischen der komprimierten Luft mit dem vorgeheizten und verdampften Brennstoff gefördert wird.

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

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Dieselmotors;

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Dieselmotor von Fig. 1 entlang der Linie 2-2 von Fig. 1;

Fig. 3 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 2, in der eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist; und

Fig. 4 einen vertikalen Schnitt durch die Vorkammer gemäß Fig. 3.

Bei der zu Erläuterungszwecken dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß Fig. 1 ist ein allgemein mit 2 bezeichneter Dieselmotor dargestellt. Dieser weist einen Kolben 4 auf, der innerhalb eines Zylinders 6 bewegbar ist. Der Kopf 8 des Zylinders 6 weist öffnungen 10 und 12 auf. Das Ventil 14 steht für die Ansaug- und/oder Auspuffventile, die zum Schließen der öffnung 10 dienen. Es ist auf herkömmliche Weise betätigbar, um das Ansaugen von Luft und

das Ablassen der Auspuff produkte zu gestatten» Das Schleusen-= ventil 16 ist in die öffnung 12 eingesetzt und in d®r Weise betätigbar, daß die öffnung 12 vom Zeitpunkt d©e Beginns des Auspufftaktes des Kolbens 4 bis in die Nähe des lad= Zeitpunktes des Kompressionstaktes verschloss©» wird» Die öffnung 12 kommuniziert über einen Hals 18 mit- des³ ¥©r 20. Ein zweckentsprechender Brennstoffin^fktor 22 dient Abgabe von Brennstoff in die Vorkammer 20 in stimmten Weise, der anschließend in eine Einrichtung, wie eine Glühkerze 24, gezündet

Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, kann die Yerkaam©!? 20 von einer Schicht 26 aus Keramikmaterial oder ©ines entsprechenden, thermisch isolierenden Material vm.% um den Hitzeverlust der Vorkammer 20 zu besehränk©i Temperatur der Vorkammer im Bereich von etwa 400 M© 1000⁰F

zu halten und auf dies® Weis© di® · Verdampfung des durch den Injektor 22 abgegebenen Br zu fördern. Gegebenenfalls können Heizrippen 28 odei» an den Wänden der Vorkammer 20 vorgeseh©» sein, wa d meübertragung auf den Brennstoff weiter zu vertesser somit die Verdampfung zu fördern. Als ein® gusltglioh© Alter native kann eine Heizeinrichtung vorgesehen, s@isi_o Bdispisls-= weise können elektrische Widerstandsdrähte 30 in ä®n Wäma@n der Vorkammer 20 eingebettet sein und durch @ia© g©©igsi@t® (nichtgezeigte) Quelle mit Energie versorgt w®%>a®m₀ vm di@ Temperatur der Vorkammer 20 innerhalb das asggsteiilbtes, B®= reichs zu halten.

Die Vorkammer 20 weist, wie in Fig. 2 gezeigte zw@i ia all= gemeinen kreisförmige Abschnitte 32 ,und 34 auf _B di® dm^eh einen im allgemeinen rechteckigen Abschnitt voneinaad©? getrennt sind. Dieser rechteckige Abschnitt ist ia Figo 2 durch die mit 36 bezeichneten, ges.tricheltea Lia± tet. Die Abschnitte 32 und 34 sind so ausgebildüt,

Vermischen der in die Vorkammer 20 eintretenden Luft gefördert wird, um das Vermischen der Luft mit dem vorverdampften Brennstoff weiter zu verbessern. Obwohl in der gezeigten Ausführungsform die Abschnitte 32 und 34 als allgemein kreisförmig dargestellt sind, dürfte es klar sein, daß auch andere Konfigurationen, die ein Vermischen fördern, in gleichem Maße geeignet und wünschenswert sind. Durch den rechteckigen Abschnitt 36 wird direkt im Strömungsweg der in die Vorkammer 20 durch die öffnung 12 und den Hals 18 eintretenden Luft eine steile Prallwand 38 geschaffen. Das dient zur Ausbildung einer stehenden Schockwelle im Bereich des rechteckigen Abschnitts 36 vor der Wand 38. Diese Schockwelle trägt zur schnellen Zündung des verdampften Brennstoffs bei und fördert das Vermischen der eintretenden Luft mit dem verdampften Brennstoff. Durch den Hals 18 wird die eintretende Luft zu einem Luftstrahl geformt. Der Luftstrahl reißt den Brennstoffdampf mit, fördert die Ausbildung der Schockwelle und treibt den durch die Abschnitte 32 und 34 induzierten Mischvorgang an. Falls gewünscht, kann die Ausbildung der Schockwelle gefördert werden, indem man den rechteckigen Abschnitt 36 der Vorkammer verlängert, wie in Fig. 3 durch Bezugszeichen 40 angedeutet.

Das Schleusenventil 16 dient beim Betrieb dazu, die öffnung 12 während des Zeitraums von etwa dem Anfang des Auspufftaktes des Kolbens 4 bis in die Nähe des Endzeitpunktes des Kompreesionstaktes zu verschließen. Kurz nachdem das Ventil 16 schließt, spritzt der Brennstoffinjektor 22 eine vorbestimmte Menge des Brennstoffs in die Vorkammer 20. Dieser Brennstoff wird in der Vorkammer 20 unter gesteuerten Bedingungen hinsichtlich Druck und Temperatur verdampft, und zwar während der Brennstoff von der im Zylinder 6 enthaltenen Luftladung isoliert ist. Die Verdampfung findet zu einem beschränkten Ausmaß aufgrund der Wärmeübertragung von den in der Vorkammer 20 eingeschlossenen Restgasen statt

und verläuft zu einem viel größeren Ausmaß als Folge der Wärme, die von den heißen Wänden und Heizrippen 28 der Vorkammer 20 auf den Brennstoff übertragen wird. Aus diesem Grund ist es wichtig, die Vorkammer 20 so zu formen und den Injektor 22 so zu richten, daß der Brennstoff auf den Wänden der Vorkammer 20 und den Heizrippen abgeschieden wird, und zwar in der Weise, daß ein gleichmäßig verteilter„ dünner Film des Brennstoffs auf diesen erhitzten Oberflächen ausgebildet wird. Nachdem das Schleusenventil 16 ge= öffnet worden ist, strömt die hochkomprimierte Luft aus dem Zylinder 6 mit hoher Geschwindigkeit durch die öffnung 12 und den Hals 18 und bildet dabei einen Luftstrahl, der den vorverdampften Brennstoff unter Bildung eines verbrennbaren Gemisches schnell mitreißt. Nachdem die Zündung und die Verbrennung ausgelöst worden sind, expandiert der Inhalt der Vorkammer 20 durch die öffnung 12 zurück in den Zylinder wobei der Kolben 4 für den Krafthub angetrieben wird. Es dürfte klar sein, daß die Zündung und die anfängliche Verbrennung des Brennstoffs dazu führen, daß die Wände der Vor« kammer 20 sowie die Isolation 26* aufgeheizt Werden. Dieser Aufheizeffekt dient zusammen mit dem Heizeffekt der Heizdrähte 30 oder ähnlicher Einrichtungen dazu, die Temperatur der Vorkammer 20 im Bereich von etwa 400 bis 1200⁰C

aufrechtzuerhalten. Somit wird, wenn sich das Ventil 16 wiederum schließt und die nächste Brennstoffeharg© in die Vorkammer 20 abgegeben wird, durch die erhöht© Temperatur die Verdampfung des Brennstoffs gefördert.

In der Nähe des Endzeitpunktes des Kompressionstaktes des Kolbens 4 öffnet sich das Ventil 16 und die komprimiert© Luft aus dem Zylinder 6 strömt mit hoher Geschwindigkeit durch die öffnung 12 ein. Die Luft wird dabei durch den Hals 18 beschleunigt und zu einem Luftstrahl geformt. Diesti? ist gegen die Wand 38 gerichtet, wodurch eine stehende

Schockwelle im rechteckigen Bereich 36 benachbart der Wand 38 ausgebildet wird. Die stehende Schockwelle und die Glühkerze 24 fördern die Zündung des verdampften Brennstoffs, der anfänglich die Vorkammer 20 ausfüllt. Durch die Konfiguration wird eine Scherschicht zwischen dem Brennstoffdampf und dem Luftstrahl erzeugt und eine Wirbelbewegung induziert, welche das Vermischen der Komprimierten Luft mit dem verdampften Brennstoff fördert, was wiederum die vollständigere Verbrennung des Brennstoffs günstig beeinflußt. Durch diese verbesserte Verbrennung wird eine gesteigerte Effizienz bei der Brennstoffausnutzung erzielt und ein in signifikanter Weise verringerter Ausstoß an teilchenförmigen Emissionen erreicht.

Claims

Patentansprüche

GJ Dieselmotor, umfassend einen Zylinder; einen innerhalb des Zylinders verschiebbaren Kolben; eine Vorkammer; und eine Öffnung, über die die Vorkammer mit dem Zylinder kommuniziert, gekennzeichnet durch eine Ventileinrichtung (16), die nahe dem Anfangszeitpunkt des Auspufftaktes des Kolbens (4) im Sinne eines Verschließens der öffnung (12) betätigbar ist; eine Brennstoffinjektoreinrichtung (22) zur Abgabe von Brennstoff in die Vorkammer (20) kurz nach dem Schließzeitpunkt der Ventileinrichtung (16); und Einrichtungen zur Betätigung der Ventileinrichtung (16) in der Mähe des Endzeitpunkts des Kompressionstaktes des Kolbens (4) im Sinne einer Freigabe der Öffnung (12), um es zu ermöglichen_? daß komprimierte Luft aus dem Zylinder (6) schnell in die Vorkammer (20) einströmt.
2. Dieselmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er außerdem Einrichtungen (26,28,30) zur thermischen Stabilisation umfaßt, um die Temperatur in der Vorkammer (20) im Bereich von etwa 200 bis etwa 650° C (400 bis 1200⁰F) aufrechtzuerhalten.
3. Dieselmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Einrichtung zur thermischen Stabilisa» tion um eine Schicht (26) aus isolierendem Material handelt₉ welche die Vorkammer (20) umgibt.
4. Dieselmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet;, daß es sich bei der Einrichtung zur thermischen Stabilisation um elektrische Drähte (30) handelt, die in den Wänden der Vorkammer (20) eingebettet sind.
5. Dieselmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem eine Vielzahl von Vorsprüngen vorgesehen ist, die sich in die Vorkammer (20) erstrecken, um die Wärmeübertragung auf den Brennstoff in der Vorkammer (20) zu fördern«
6. Dieselmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Vorsprüngen um Heizrippen (28) handelt.
7. Dieselmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkammer (20) so ausgebildet ist, daß eine Verwirbelung der in die Vorkammer (20) eintretenden Luft verursacht wird, um die Verdampfung des Brennstoffs in der Vorkammer (20) und das Vermischen der Luft mit dem Brennstoff zu fördern.
8. Dieselmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er außerdem einen Düsenhals (18) umfaßt, der die Vorkammer (20) mit der Öffnung (12) verbindet und dazu dient, die durch die Öffnung (12) eintretende Luftströmung zu beschleunigen und aus der Luftströmung einen Luftstrahl zu formen.
9. Dieselmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er weiterhin eine steile Prallwand (38) umfaßt, die in der Vorkammer (12) im Strömungsweg der aus der Öffnung (12) eintretenden Luft positioniert ist.
10. Dieselmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkammer (20) einen im allgemeinen rechteckigen Abschnitt (36) umfaßt, der im Strömungsweg der aus der Öffnung (12) eintretenden Luft angeordnet ist; sowie ein Paar von im allgemeinen kreisförmigen Abschnitten (32,34), die an gegenüberliegenden Seiten des rechteckigen Abschnitts (36) angeordnet sind.
11. Verfahren zum Betrieb eines Dieselmotors mit einem Zylinder, einem in dem Zylinder verschiebbaren Kolben und einer Vorkammer, dadurch gekennzeichnet, daß man fol= gende Verfahrensschritte vorsieht:

die Unterbrechung der kommunizierenden, Verbindung zwischen der Vorkammer und dem Zylinder zu ©inem Zeitpunkt nahe des Beginns des Auspufftaktes des Kolbens ;

das Einspritzen von Brennstoff in die Vorkammer zu einem Zeitpunkt kurz nach Auslösung der genannten Verfahrensstufe der Unterbrechung; und

die Freigabe der kommunizierenden Verbindimg zwi= sehen der Vorkammer und dem Zylinder zu ©inem Zeitpunkt in der Nähe des Endzeitpunktes des Kompressionstaktes des Kolbens.