DE3917943A1

DE3917943A1 - Dieselmotor

Info

Publication number: DE3917943A1
Application number: DE3917943A
Authority: DE
Inventors: Noritaka Matsuo; Jun Taue; Kazuo Miyazawa
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 1988-06-02
Filing date: 1989-06-01
Publication date: 1990-02-08
Also published as: JPH01305121A; JP2689132B2; US4962736A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Dieselmotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.

Ein solcher Dieselmotor bzw. ein solches Verfahren sind aus der Praxis bekannt. Dabei handelt es sich um einen Dieselmotor mit einer Wirbelkammer oder einer Nebenbrennkammer. Im ersten Fall wird ein Hochgeschwindigkeits-Gaswirbel während des Kompressionshubes des Kolbens in einer Nebenkammer erzeugt, in welchen der Kraftstoff in einer geeigneten Richtung eingespritzt wird. Die Verbrennung des Kraftstoffs erfolgt hauptsächlich in dieser Nebenkammer. Im zweiten Fall erzeugt das aus der Nebenkammer austretende Verbrennungsgas in der Hauptkammer einen Wirbel, um die Verbrennung zu verbessern, wobei der Hauptkammer-Verbrennungsgrad höher ist als im erstgenannten Fall. In beiden Fällen beginnt die Kraftstoffverbrennung durch ein Einspritzen des Kraftstoffs in das Gas, welches während des Kompressionshubs in die Nebenkammer strömt. Die Verbrennung wird durch ein Austreten des Verbrennungsgases in die Hauptbrennkammer in dieser fortgesetzt, um eine vollständige Kraftstoffverbrennung zu erzielen. Dem zeitabhängigen Wechsel der Verbrennungsgas/Kraftstoff-Austrittsmenge aus der Neben- in die Hauptbrennkammer und den einzelnen Gemischzuständen, kommt für die Qualität der Verbrennung besondere Bedeutung zu. Bisher ist es nicht gelungen, die Nebenbrennkammer so zu gestalten, daß optimierte Bedingungen für die allgemeine Verwendung erzielt werden konnten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Dieselmotor bzw. ein Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß ein höherer Luftausnutzungskoeffizient und damit ein besserer Verbrennungswirkungsgrad erreicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Dieselmotor bzw. einem Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors vorrichtungsseitig durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 und verfahrensseitig durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 8 gelöst.

Wenn die mantelförmige Drosselfläche A ₂ kleiner ist als die Querschnittsfläche A ₁, entsteht beim Strömen des Gases aus der Haupt- in die Nebenbrennkammer ein Drosseleffekt. Durch den damit verbundenen Druckanstieg in der Hauptbrennkammer wird die Gasströmung aus der Haupt- in die Nebenbrennkammer für einen längeren Zeitraum durchgeführt, so daß sich ein höherer Luftausnutzungskoeffizient und dadurch eine bessere Verbrennung in der Nebenbrennkammer ergibt. Ein höherer Verbrennungswirkungsgrad ist die Folge.

Vorteilhaft ist ferner, die Drosselfläche zylindrisch auszubilden, da sich eine solche Drosselfläche bei einem Verbindungskanal mit kreisförmiger Querschnittsfläche ohne tiefgreifende Änderungen an der Haupt- und Nebenbrennkammer sowie an dem Kolben erzielen läßt. Eine solche Drosselfläche ergibt sich deshalb bei relativ geringen Konstruktions- und Herstellungskosten.

Es ist aber auch möglich, die Drosselfläche konisch auszubilden, so daß bei einem Kompressionshub des Kolbens, d.h. bei einer Gasströmung aus der Haupt- in die Nebenbrennkammer, ein etwa tangentiales Einleiten der Gasströmung in die Nebenbrennkammer möglich ist. Ein solches tangentiales Einleiten der Gasströmung in die Nebenbrennkammer ist aber auch mit Hilfe eines tangential in die Nebenbrennkammer einmündenden Verbindungskanals erzielbar. Mit Hilfe des tangentialen Einleitens der Gasströmung in die Nebenbrennkammer ergibt sich in dieser ein Luftwirbel, in den der Kraftstoff eingespritzt wird. Ein solcher Luftwirbel führt zu einer guten Durchmischung des Gas/Kraftstoff-Gemisches und damit zu einem guten Verbrennungswirkungsgrad.

Günstig ist ferner, daß sich der Kolben zu Beginn der Kraftstoff-Einspritzung nahe seinem oberen Totpunkt befindet, da der Druckanstieg in der Hauptbrennkammer vollständig ausgenutzt werden kann, wenn sich der Kolben in dieser Stellung befindet. Der Druckanstieg kann somit schneller und weitgehend ohne Verluste, in kinetische Energie umgewandelt werden.

Vorteilhaft ist außerdem, daß die Drosselfläche mehr als 0,5% der Kolbenquerschnittsfläche am oberen Totpunkt des Kolbens beträgt, da auf diese Weise die Drosselverluste verringert und ein besserer Wirkungsgrad erzielt werden können.

Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A, B eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbei spieles des erfindungsgemäßen Dieselmotors;

Fig. 2 ein Diagramm zum Darstellen der Verbrennungszustände eines bekannten Dieselmotors, in welchem Druck und Gasgeschwin digkeit über der jeweiligen Kolbenstellung aufgetragen sind;

Fig. 3 ein Diagramm gemäß Fig. 2 für einen erfindungsgemäßen Dieselmotor;

Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Dieselmotor;

Fig. 5 einen Längsschnitt durch einen im Vergleich zu Fig. 4 um 90° gedrehten Dieselmotor;

Fig. 6 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Dieselmo tors; und

Fig. 7 ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Dieselmo tors.

Fig. 1A zeigt eine am oberen Ende eines Zylinders 8 angeordnete Hauptbrennkammer 10 und eine mittig darüber angeordnete, kugelförmige Nebenbrennkammer 12, die mit Hilfe eines Verbindungskanals 14 mit der Hauptbrennkammer 10 verbunden ist. In dem Zylinder 8 ist ein Kolben 16 auf- und abbewegbar, dessen Stirnfläche 18 die Hauptbrennkammer 10 nach unten begrenzt. An der Oberseite der Nebenbrennkammer 12 ist eine Einspritzvorrichtung 28 zum Einspritzen des Kraftstoffs in die Nebenbrennkammer 12 vorgesehen.

Wie in Fig. 1A gestrichelt und unterhalb genauer dargestellt, weist der Verbindungskanal 14 an seinem unteren Ende 14 a eine kreisförmige Querschnittsfläche auf, so daß sich zwischen dem unteren Ende 14 a und der Stirnfläche 18 des Kolbens 16 ein gedachter Körper 19 mit einer zylindrischen mantelförmigen Drosselfläche A ₂ ergibt.

Fig. 1B zeigt dieselbe Darstellung wie Fig. 1A, jedoch zu einem späteren Zeitpunkt, in dem der Kolben 16 seinen oberen Totpunkt TDC erreicht hat, Kraftstoff durch die Einspritzvorrichtung 28 in die Nebenbrennkammer 12 eingeleitet wird und die mantelförmige Drosselfläche A ₂ kleiner ist als die Querschnittsfläche A ₁ des Verbindungskanals 14. In dieser Darstellung weist der gedachte Körper 19 im Vergleich zur Darstellung gemäß Fig. 1A eine identische Querschnittsfläche A ₁, jedoch eine verminderte mantelförmige Drosselfläche A ₂ auf, da der vertikale Abstand zwischen dem unteren Ende 14 a des Verbindungskanals und der Stirnfläche 18 des Kolbens 16 aufgrund der oberen Totpunktlage des Kolbens geringer ist als in einer Lage vor Erreichen des oberen Totpunkts gemäß Fig. 1A.

Wie Fig. 1B ferner verdeutlicht, befindet sich der Kolben 16 zu Beginn der Kraftstoffeinspritzung in oder nahe seinem oberen Totpunkt. Außerdem soll die Drosselfläche A ₂ mehr als 0,5% der Kolbenquerschnittsfläche zu dem Zeitpunkt betragen, bei dem sich der Kolben 16 an seinem oberen Totpunkt befindet.

Gemäß Fig. 2 liegt das Kraftstoffeinspritzintervall I bei einem herkömmlichen Dieselmotor ebenso wie bei dem erfindungsgemäßen Dieselmotor gemäß Fig. 3 zwischen einer um 20° vor dem oberen Totpunkt TDC und dem oberen Totpunkt TDC liegenden Lage des Kurbelwinkels. Die Gasgeschwindigkeit V von der Haupt- in die Nebenbrennkammer (s. senkrechter Pfeil nach unten in Fig. 2) erreicht in der 20°-Stellung des Kolbens vor dem oberen Totpunkt ein Maximum und fällt dann etwa nach dem halben Kraftstoffeinspritzintervall I steil auf Null ab. In bezug auf den Haupt- und Nebenkammerdruck P _M, P _S verdeutlicht Fig. 2, daß der Nebenkammerdruck P _S beim Zünden des in die Nebenkammer eingespritzten Kraftstoffs so ansteigt, daß der Nebenkammerdruck P _S etwa mit dem Hauptkammerdruck P _M übereinstimmt. Dadurch ist die Gasströmung aus der Haupt- in die Nebenkammer bei etwa 10° vor Erreichen des oberen Totpunkts des Kolbens unterbrochen. Die Gasströmung in die Nebenbrennkammer ist also etwa auf halbem Weg des Kolbens zwischen der 20°-Stellung vor Erreichen des oberen Totpunkts und der oberen Totpunktlage unterbrochen. Die Menge der in die Nebenbrennkammer einfließenden Gasströmung ist demnach verringert, so daß sich ein niedriger Luftausnutzungskoeffizient und ein geringer Wirkungsgrad ergibt.

Gemäß Fig. 3 ergibt sich für den erfindungsgemäßen Dieselmotor ein Kraftstoffeinspritzintervall I von der 20°-Stellung vor Erreichen des oberen Totpunkts bis zur oberen Totpunktlage. Die Gasgeschwindigkeit von der Haupt- in die Nebenkammer fällt also erst beim Erreichen des oberen Totpunkts des Kolbens auf einen Wert Null ab. Eine solche relativ lang andauernde Gasströmung in die Nebenbrennkammer ist durch einen Anstieg des in Fig. 3 gestrichelt dargestellten Hauptbrennkammerdrucks P _M ermöglicht. Dieser erreicht etwa in der oberen Totpunktlage des Kolbens den Nebenkammerdruck P _S und liegt in der sich der oberen Totpunktlage anschließenden Stellung des Kolbens unterhalb des Nebenkammerdrucks P _S, so daß sich eine Gasströmung von der Neben- in die Hauptbrennkammer einstellt (s. senkrechter Pfeil nach oben in Fig. 2).

In den Fig. 4 und 5 sind Längsschnitte durch einen erfindungsgemäßen Dieselmotor 20 dargestellt, der als Zweitakt-Dieselmotor ausgebildet ist und eine Kurbelgehäuse-Vorkompression umfaßt. Der Dieselmotor 20 weist in seinem unteren Abschnitt ein Kurbelgehäuse 24 auf, das über ein Ventil 22 mit dem Eingangsgas, z.B. Luft, verbunden ist. Der Kolben 16 ist mit Hilfe eines Kurbelarms 23 mit einer Kurbelwelle 25 so verbunden, daß der Kolben 16 bei einer Drehbewegung der Kurbelwelle 25 eine Auf- und Abbewegung ausführt. Der Kolben 16 ist in dem Zylinder 8 hin- und herbewegbar geführt, wobei die Hauptbrennkammer 10 zwischen der Oberseite des Zylinders 8 und der Stirnfläche 18 des Kolbens 16 vorgesehen ist. Oberhalb der Hauptbrennkammer 10 ist die Nebenbrennkammer 12 angeordnet und über den Verbindungskanal 14 mit der Hauptbrennkammer verbunden. Der Verbindungskanal 14 mündet gemäß Fig. 4 etwa tangential in die Nebenbrennkammer 12 ein. Außerdem sind der Nebenbrennkammer 12, dem Verbindungskanal 14 etwa gegenüberliegend, eine Einspritzvorrichtung 28, z.B. eine Einspritzpumpe, und eine Glühkerze 30 zugeordnet.

Zwischen der Hauptbrennkammer 10 und dem Kurbelgehäuse 24 ist ein Spülkanal 26 vorgesehen, durch den das in dem Kurbelgehäuse 24 vorkomprimierte Gas in die Hauptbrennkammer 10 eintreten kann. Am oberen Ende des Spülkanals 26 ist ein Auspuffkanal 34 (Fig. 4) und am oberen Ende der Hauptbrennkammer 10 ein Dekompressionskanal 32 (Fig. 5) vorgesehen.

Ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Dieselmotors ist in Fig. 6 gezeigt. In diesem Fall mündet der Verbindungskanal 14 etwa tangential in die Nebenbrennkammer 12 und zweigt von der Hauptbrennkammer 10 schräg ab. Der Verbindungskanal 14 mit der Querschnittsfläche A ₁ weist ein unteres, zur Hauptbrennkammer 10 weisendes Ende 14 b auf. Der zwischen dem unteren Ende 14 b des Verbindungskanals und der Stirnfläche 18 des Kolbens 16 sich erstreckende gedachte Körper 19 weist gemäß Fig. 6 eine zylindrische, mantelförmige Drosselfläche A ₂ auf.

Ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Dieselmotors zeigt Fig. 7. Der Kolben 16 weist einen mittig auf seiner Stirnfläche 18 angeordneten Vorsprung 16 a auf, der kegelig, mit zum Verbindungskanal 14 hin sich verjüngenden Kanten ausgebildet ist. Die Drosselfläche A ₂ ist in diesem Fall eine konische Mantelfläche B ₂, die sich mit der kürzesten Länge a ₂ zwischen dem unteren Ende des Verbindungskanals 14 und dem Vorsprung 16 a erstreckt. Die konische Mantelfläche B ₂ weist deshalb eine im unteren Teil der Fig. 7 dargestellte Form auf.

Der erfindungsgemäße Dieselmotor 20 wird wie folgt betrieben:

Während des Aufwärtshubs des Kolbens 16 wird die Einlaßluft über das Ventil 22 in das Kurbelgehäuse 24 eingeleitet. Beim sich anschließenden Abwärtshub des Kolbens 16 wird die Luft in dem Kurbelgehäuse 24 komprimiert und strömt durch den Spülkanal 26 in die Hauptbrennkammer 10. Während des Aufwärtshubs des Kolbens 16 wird die Luft in der Hauptbrennkammer 10 weiter komprimiert, wobei ein Teil durch den Verbindungskanal 14 so in die Nebenbrennkammer 12 strömt, daß Luftwirbel erzeugt werden, in die der Kraftstoff mittels der Einspritzvorrichtung 28 eingespritzt wird. Aufgrund des zuvor beschriebenen Drosseleffektes (A ₂<A ₁) steigt der Druck in der Hauptbrennkammer kurz vor der Kraftstoffeinspritzung an, so daß die Lufteinleitung in die Nebenbrennkammer 12 über einen längeren Zeitraum erfolgt. Der in der Nebenbrennkammer 12 selbst entzündliche Kraftstoff verursacht eine starke Verwirbelung. Aufgrund des Drosseleffektes tritt das Luft/Kraftstoff-Gemisch erst im Zeitpunkt der oberen Totpunktlage des Kolbens, wenn der Hauptkammerdruck P _M den Nebenkammerdruck P _S erreicht bzw. überschritten hat, aus der Nebenbrennkammer 12 in die Hauptbrennkammer 10 ein. Der Zeitpunkt des Druckausgleichs zwischen Haupt- und Nebenbrennkammer fällt bei dem erfindungsgemäßen Dieselmotor etwa mit dem oberen Totpunkt des Kolbens 16 zusammen. Das bei der Kraftstoffverbrennung entstehende Abgas wird anschließend aus der Hauptbrennkammer 10 über den Auspuffkanal 34 abgeführt.

Claims

1. Dieselmotor mit einer in einem Zylinder vorgesehenen Hauptbrennkammer, einem in dem Zylinder bewegbaren Kolben, einer Nebenbrennkammer, in die der Kraftstoff eingespritzt wird, und einem Verbindungskanal zwischen Haupt- und Nebenbrennkammer, dadurch gekennzeichnet, daß spätestens zu Beginn der Kraftstoffeinspritzung A₂ < A₁ist, wobei
A₁ die kleinste Querschnittsfläche des Verbindungskanals (14) und
A₂ die kleinste mantelförmige Drosselfläche des zwischen dem zur Hauptbrennkammer (10) weisenden Ende (14 a) und der Stirnfläche (18) des Kolbens (16) sich erstreckenden gedachten Körpers (19) bedeuten.

2. Dieselmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (19) ein Zylinder ist und die Drosselfläche (A ₂) eine zylindrische Form aufweist.

3. Dieselmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (16) an seiner Stirnfläche (18) einen gegenüber dem Verbindungskanal (14) angeordneten Vorsprung (16 a) aufweist.

4. Dieselmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorsprung (16 a) konisch, zum Verbindungskanal (14) sich verjüngend ausgebildet ist, der Körper (19) ein Konus ist und die Drosselfläche (A ₂) eine konische Form aufweist.

5. Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (14) so angeordnet ist, daß er tangential in die Nebenbrennkammer (12) einmündet.

6. Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Kolben (16) zu Beginn der Kraftstoffeinspritzung zwecks eines Ausgleichens der in Haupt- und Nebenbrennkammer (10), (12) vorherrschenden Drücke nahe seinem oberen Totpunkt befindet.

7. Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselfläche (A ₂) mehr als 0,5% der Kolbenquerschnittsfläche am oberen Totpunkt des Kolbens (16) beträgt.

8. Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors, insbesondere nach den Ansprüchen 1 bis 7, bei welchem während des Kompressionshubes eines Kolbens Gas aus einer Haupt- in eine Nebenbrennkammer gedrückt wird und die Gasgeschwindigkeit etwa 20° vor dem oberen Totpunkt des Kolbens einen maximalen Wert erreicht und dann abfällt, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszufuhr aus der Haupt- in die Nebenbrennkammer so gedrosselt wird, daß der Druck in der Hauptbrennkammer ansteigt und die Gaszufuhr etwa solange fortgesetzt wird, bis der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht hat, so daß der Eintritt des Gas/Kraftstoff-Gemisches aus der Neben- in die Hauptbrennkammer verzögert wird.