DE3237798A1

DE3237798A1 - Wirbelkammer-dieselmotor mit einer mehrfachanordnung von verbindungsdurchlaessen

Info

Publication number: DE3237798A1
Application number: DE19823237798
Authority: DE
Inventors: Toshiaki Chigasaki Tanaka
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1981-10-15
Filing date: 1982-10-12
Publication date: 1983-05-05
Also published as: US4541375A; DE3237798C2; GB2107392A; JPS5865930A; GB2107392B; JPS6236132B2

Description

Wirbellcammer-Dieselmotor mit einer Mehrfachanordnung von Verbindungsdurchlässen

B_e s c h_r_e_i_b_u_n__g ~~ *

Die Erfindung bezieht sich im wesentlichen auf eine Wirbelkammer in einem Dieselmotor und betrifft insbesondere eine solche Wirbelkammer, welche mit einem Hauptbrennraum über eine Mehrfachanordnung von Verbindungsdurchlässen strömungsverbunden ist.

In bereits früher vorgeschlagenen Anordnungen, wie beispielsweise in der veröffentlichen japanischen Gebrauchsmusteranmeldung 53-4-74-O5 und der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung 51-105509 beschrieben, ist zusätzlich zu einem die Hauptbrennkammer eines Dieselmotors mit einer Wirbelkammer verbindenden Hauptdurchlaß ein Halsoder Hilfsdurchlaß vorgesehen, durch welchen hindurch ein kleiner Teil des in die Wirbelkammer eingespritzten Brennstoffs in den Haupt brennraum gelangt, um die bei der Verbrennung auftretenden Spitzentemperaturen zu verringern und damit die Bildung von NO zu unterdrücken. In der bekannten Ausführungsform ist der Hilfsdurchlaß genau gegenüber dem Einspritzventil angeordnet und verläuft in Verlängerung des über dieses eingespritzten Brennstoffstrahls. Daraus ergibt sich der Nachteil, daß ein nicht vollständig zerstäubter Anteil des eingespritzten Brennstoffs aufgrund von Trägheitskräften in Form von größeren Tröpfchen durch den Hilfsdurchlaß hindurch direkt in den Hauptbrennraum gelangt und sich unvollständig mit der darin enthaltenen Luft vermischt. Dieses unvollständige Gemisch wird anschließend durch die einen niedrigen Sauerstoffgehalt aufweisende, von der Wirbelkammer ausgehende Stcihflamme gezündet, was zu einer unvollständigen Verbrennung des Brennstoffs im Hauptbrennraum und damit zu erhöhter Rauchentwicklung führt.

V/eitere Untersuchungen haben gezeigt, daß eine Verringerung der Querschnittsfläche des Hauptdurchlasses, welche geÖhnlich größer ist als die des Hilfsdurchlasses, unter Beibehaltung einer konstanten Querschnittsfläche des Hilf sdurchlasses dazu führt, daß die Zündflamme mit erhöhter Geschwindigkeit aus der Wirbelkammer in den Hauptbrennraum überschlägt, wodurch sich die Verbrennungszeit in der Hauptbrennkaramer verkürzs. Dies begünstigt zwar eine gute Verbrennung mit verringerter Rauchentwicklung, führt dabei jedoch zu einer stärkeren Entwicklung von Stickoxiden. Wird dagegen der Durchlaßquerschnitt des Hilfsdurchlasses vergrößert, während derjenige des Hauptdurchlasses konstant bleibt, so gelangt eine größere Brennstoffmenge direkt in den Hauptbrennraum, wodurch sich

!5 die Verbrennungszeit verlängert, so daß die Entstehung von Stickoxiden zwar unterdrückt wird, dafür jedoch eine stärkere Rauchentwicklung auftritt.

Angesichts der vorstehend erläuterten, einander widersprechenden Tendenzen stieß die Entwicklung einer eine Mehrfachanordnung von Verbindungsdurchlässen aufweisenden Wirbelkammer, welche gleichzeitig die Verringerung der Rauchentwicklung sowie auch die Bildung von Stickoxiden

ermöglicht, bisher auf beträchtliche Schwierigkeiten. 25

Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer eine Mehrfachanordnung von Verbindungsdurchlässen aufweisenden Wirbelkammer, in welcher die Anordnung sowie die Abmessungen des Hauptdurchlasses und des Hilfsdurchlasses derart aufeinander abgestimmt sind, daß eine Verringerung der Rauchentwicklung sowie auch der Bildung von Stickoxiden erzielbar ist.

, Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist der Hilfsdurchlaß gegenüber der imaginären Mittellinie des über das Einspritzventil eingespritzten BrennstoffStrahls um ein stück in der Rotationsrichtung des in der Wirbelkammer entstehenden Wirbels versetzt angeordnet und in seinen

β «tO β O

Abmessungen so abgestimmt, daß die Summe der Querschnitts~ flächen des Hauptdurchlasses und des Hilfsdurchlasses im Berwich von 0,8 bis 1,0% der Querschnittsfläche der die Hauptbrennkammer umgrenzenden ZyIinderbohrung liegt und daß die Querschnittsflache des Hilfsdurchlasses in einem Bereich von 10 bis 20% der Summe der Querschnittsflächen des Hauptdurchlasses und des Hilfsdurchlasses liegt.

Insbesondere Schafft die Erfindung einen Dieselmotor mit einem von einer Zylinderbohrung umgrenzten Hauptbrennraum, einer Wirbelkammer, in welche mittels eines Einspritzventils brennstoff in einer vorbestimmten Strahlrichtung einspritzbar ist, einem die Wirbelkammer mit dem Hauptbrennraum verbindenden Hauptdurchlaß, über welchen der Wirbelkammer eine Ladeluftmenge derart zuführbar ist, daß sie in einer vorbestimmten Richtung darin rotiert, und mit einem die Wirbelkammer mit dem Hauptbrennraum verbindenden Hilfsdurchlaß, wobei gemäß der Erfindung vorgesehen ist, daß zur gleichzeitigen Unterdrückung der Bildung von Stickoxiden und der Rauchentwicklung im Hauptbrennraum und in der Wirbelkammer der Hilfsdurchlaß gegenüber der Strahlrichtung des eingespritzten Brennstoffs derart versetzt angeordnet ist, daß vorwiegend nur fein zerstäubter Brennstoff durch ihn hindurchgelangt, und die Abmessungen des Hauptdurchlasses und des Hilfsdurchlasses derart abgestimmt sind, daß die Summe der Querschnittsflächen des Hauptdurchlasses und des Hilfsdurchlasses im Bereich von 0,8 bis 1,0 % der Querschnittsfläche der Zylinderbohrung liegt und daß die Querschnittsfläche des Hilfsdurchlasses im Bereich von 10 bis 20% der Summe der Querschnittsflächen des Hauptdurchlasses und des Hilfsdurchlasses liegt.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert» Es zeigen:

1 eine S hnittansicht einer eingangs kurz erläuterten, weniger günstigen Anordnung,

Fig. 2 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 eine grafische Darstellung der Beziehungen zwischen der Versetzung des Hilfsdurchlasses gegenüber der Strahlrichtung des eingespritzten Brennstoffs und der davon abhängigen Rauchentwicklung und Bildung von NO ,

Jn.

Fig. 4 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 eine Ansicht im Schnitt entlang der Linie V-V in Fig. 4,

Fig. 6 eine grafische Darstellung der Beziehungen zwischen dem prozentualen Verhältnis der Summe der Qüerschnittsflächen des Hauptdurchlasses und des Hilfsdurchlasses und der Querschnittsfläche der Zylinderbohrung einerseits und der Bildung von NO und der Rauchentwicklung andererseits bei .Änderungen der Querschnittsflächen sowohl des Hilfsdurchlasses als auch des Hauptdurchlasses unter Beibehaltung eines prozentualen Verhältnisses der Querschnittsfläche des Hilfsdurchlasses zu der ses Hauptdurchlasses von 13%,

Fig. 7 eine grafische Darstellung der Beziehungen zwischen dem prozentualen Verhältnis zwischen der Querschnittsflache des Hilfsdurchlasses und der Summe der Querschnittsflachen des Hauptdurchlasses und des Hilfsdurchlasses einerseits und der Bildung von N0__ und der Rauchentwicklung andererseits unter Beibehaltung eines prozentualen Verhältnisses der Summe der Querschnittsflächen des Hauptdurchlasses und des Hilfsdurchlasses zur Querschnittsfläche der Zylinderbohrung von 0,9%.

In der in Fig. 1 gezeigten Anordnung erkennt man eine über einen Hauptdurchlaß sowie über einen Hilfsdurchlaß mit einem durch eine Zylinderbohrung umgrenzten Hauptbrennraura 3 strömungsverbundene Wirbelkammer 4, in v/elcher ein Einspritzventil 2 ausmündet. Aus dem Hauptbrennraum über den Hauptdurchlaß in die Wirbelkammer 4 gepreßte Verbrennungsluft vollführt in dieser eine durch Pfeile angedeutete Wirbelbewegung» Der Hilfsdurchlaß 1 ist genau gegenüber dem Einspritzventil 2 angeordnet und verläuft in Verlängerung der Achse L eines über das Ventil eingespritzten BrennstoffStrahls. Aus den eingangs erläuterten Gründen ergibt sich daraus zwar eine Verringerung der Bildung von Stickoxiden, dafür jedoch unter Umständen eine verstärkte Rauchentwicklung.
15

Diesem Nachteil wird durch die in einer ersten Ausführungsform in Fig. 2 dargestellte Erfindung abgeholfen. Die dargestellte Anordnung gehört zu einem ein Verdichungsverhältnis von beispielsweise 20 bis 24 : 1 aufweisenden Dieselmotor, bei welchem das Verhältnis zwischen dem Volumen der Wirbelkammer und dem Volumen des Gesamtbrennraums im Bereich von etwa 40 bis 60% liegt. Ein HauptbrennrautQ 10 ist mit der Wirbelkammer 12 über einen Hauptdurchlaß 14 und einen Hilfsdurchlaß 16 strömungs-

²^ verbunden. Ein Einspritzventil 18 dient der Einspritzung eines Brennstoffstrahls mit einer mittleren Strahlrichtung L in die Wirbelkammer 12«. Bei Annäherung eines Kolbens 20 an seinen oberen Totpunkt wird die im Hauptbrennraum 10 vorhandenen Verbrennungsluft durch den Haupt-

durchlaß 14 in die Wirbelkammer 12 gepreßt. Diese ist im wesentlichen kugelförmig, so daß die in sie eingepreßte Luft eine durch Pfeile angedeutete Wirbelbewegung darin vollführt»

Der Hilfsdurchlaß 16 ist in Richtung der Wirbelbewegung um ein kleines Stück gegenüber der mittleren Strahlrichtung L des eingespritzten Brennstoffs versetzt angeordnet,, Bei der Einspritzung des Brennstoffs in die Wirbelkammer

folgt der größte Teil des Brennstoffs unter dem Einfluß von Trägheitskraften der mittleren Strahlrichtung L. Ein gewisser Anteil des Brennstoffs wird dabei jedoch so fein zerstäubt, daß er von der in der Wirbelkammer rotierenden Luftmasse in Richtung auf den Hilfsdurchlaß 16 abgelenkt wird und in diesen eintritt. Der größere Anteil des Brennstoffs beaufschlagt jedoch die Wandung der Wirbelkammer an der Zuströmseite des Hilfsdurchlasses und wird anschließend von der rotierenden Luftmasse mitgerissen. Dank dieser Anordnung ist der über den Hilfsdurchlaß in den Hauptbrennraum 10 gelangende Brennstoff wenigstens zum größten Teil äußerst fein zerstäubt, so daß er sich innig mit der im Hauptbrennraum 10 vorhandenen Luft vermischen Kann. Schlägt dann nach Zündung des Brennstoffs in der Wirbelkammer die Zündflamme in den Hauptbrennraum, so kann der innig mit der Luft vermische Brennstoff darin sauber und ohne Rauchentwicklung verbrennen.

Fig. 3 zeigt in grafischer Darstellung die Beziehungen zwischen der in der Einfügung rechts oben mit X bezeichneten Versetzung der Mittelachse des Hilfsdurchlasses gc genüber der mittleren Strahlrichtung L einerseits und der jeweiligen Bildung von NO und Rauchentwicklung andererseits. Wie man aus den Kurven erkennt, ist durch eine Versetzung X des Hilfsdurchlasses 16 um- etwa 1,5 bis 2 mm gegenüber der mittleren Strahlrichtung L eine beträchtliche Verringerung sowohl der Bildung von 3STO als auch der Rauchentwicklung erzielbar.

Um eine weitere Verringerung der Bildung von NO sowie der Rauchentwicklung zu erzielen, ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß die Abmessungen des Hilfsdurchlasses 16 und des Hauptdurchlasses 14 derart abgestimmt sind, daß die Summe ihrer Querschnittsflächen, bezogen auf die Querschnittsfläche der den Hauptbrennraum 10 umgrenzenden Zylinderbohrung innerhalb des Bereichs von 0,8 bis 1,0% liegt und daß das prozentuale Verhältnis der Querschnittsfläche des Hilfsdurchlasses 16 zur Summe der Querschnitts-

flächen des Hauptdurchlasses 1A- und dos Hilfsdurchlasses 16 im Bereich von 10 bis 20% liegt.

Diese Beziehungen sind in Fig. 6 und 7 grafisch dargestellt. Daraus ist zu ersehen, daß sich so;vohl die Bildung von Stickoxiden als auch die Rauchentwicklung auf einem relativ niedrigen Niveaum halten Lassen, wenn die vorstehend genannten Verhältnisse innerhalb der angegebenen Bereiche von A = 0,8 bis 1,0% und B = 10 bis 20% liegen.

In der in Fig. 4- gezeigten zweiten Ausführungsform der Erfindung ist der Hilfsdurchlaß in zwei etwa halbmondförmige Durchlässe 22 unterteilt, welche durch ein säulenähnliches Mittelstück 24 voneinander getrennt sind. Der Brennstoffstrahl ist dabei auf das Mittelstück 24 gerichtet. Diese Anordnung ist mit Vorteil in einem Dieselmotor anwendbar, in welchem die Wirbelbewegung in der Wirbelkammer nicht übermäßig stark ausgeprägt ist, d.h.

in welchem der Hauptdurchlaß einen innerhalb der vorstehend angegebenen Grenzen größtmöglichen Durchmesser hat, so daß nur eine begrenzte Wirbelbewegung in der Wirbelkammer auftritt, wobei dann der fein zerstäubte Brennstoff durch die beiden Durchlässe 22 hindurchtreten kann.

Leerseite

Claims

Οφ ·β ΐ

GRONECKER. KINKELDEY. STOCKMAIR & PARTNER PATENTANWÄLTE

A GRUNECKEB ■>», »tfi OFi H KINKELOEY rj»-L D^ W. STOCKMAIR. opt OR K SCHUMANN Wt P H JAKOB w\ ·«·. ΠΠ G EIEZOLD cm. cms W MHSIfH u« t,, H HIlGERS, U-* ■"> t>F> H MFYER PLATH. ι

80OO MÜNCHEN 32

Nissan Τ4θtor Co«., Ltd» of ? 3? 350.

ITo.-;■ Z, iikkara-cho_}
Eanägawa-ku, Yokohama City,
Japan 4. Oktober 1982

Wirbelkammer-Dieselmotor mit einer Mehrfachanordnung von Verbindungsdurchlässen

P_a_t_e_n__t_a_n_s_g_r_ü_c_h_e Dieselmotor mit einem von einer Zylinderbohrung

Simgrenzten Hauptbrennraum, einer Wirbelkammer, in welche Brennstoff mittels eines Einspritzventils in einer vorbestimmten Strahlrichtung einspritzbar ist, einem die Wirbelkammer mit dem Hauptbrennraura verbindenden Hauptdurchlaß, durch welchen hindurch eine Ladung Luft derart in die Wirbelkammer überführbar ist, daß sie eine Wirbelbewegung in einer vorbestimmten Richtung darin vollführt, und mit einem die Wirbelkammer mit dem Hauptbrennraum verbindenden Hilfsdurchlaß, dadurch g e k e η η zeichnet,, daß zur gleichseitigen Unterdrückung der Bildung von HO und der Rauchentwicklung im Haupt brennraum (10) so\cLe in der Wirbelkammer (12) der Hilfsdurch-

laß (16) gegenüber der Brennstoff-Strahlrichtung (L) derart versetzt angeordnet ist, daß er in der Hauptsache nur von feinzerstäubtem Brennstoff durchströmt ist, und der Hauptdurchlaß und der Hilfsdurchlaß so bemessen sind, daß die Querschnittsflächen des Haupt- und des Hilfsdurchlasses im Bereich von 0,8 bis 1,0 der Querschnitt sf lache der Zylinderbohrung liegen und die Querschnittsfläche des Hilfsdurchlasses in einem Bereich von 10 bis 20% der Summer der Querschnittsflächen des Hauptdurchlasses und des Hilfsdurchlasses liegt.
2. Dieselmotor nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß der Hilfsdurchlaß (16) in Richtung der Wirbelbewegung in der Wirbelkammer (12) abströmseitig zur Brennstoff-Strahlrichtung (L) versetzt ist.
3· Dieselmotor nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß der Hilfsdurchlaß ein Paar halbmondförmiger, ein säulenförmiges Mittelstück (24-) umgreifender Durchlässe (22) aufweist und daß die Brennstoff-Strahlrichtung im wesentlichen mittig auf das
Mittelstück auftrifft.
25