DE4118458C2 - Brennraum einer Brennkraftmaschine - Google Patents
Brennraum einer BrennkraftmaschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Brennraum, der im Boden eines
Kolbens einer Kraftstoffeinspritz-Dieselmaschine ausgebildet ist.
Bei herkömmlichen Brennräumen einer Dieselmaschine
(Selbstzündermaschine) hängt die Menge des im Verbrennungsprozeß
entstehenden schädlichen Abgases von der Art
des eingespritzten Kraftstoffs und der geometrischen Form
des Brennraums, in welchem der eingespritzte Kraftstoff
mit Luft vermischt wird, und insbesondere von der Kolbenmuldenform
des Brennraums ab. Brennraum-Kolbenmulden
liegen in einer Vielfalt von Formen vor, z. B. in flacher
Schüsselform, in Toroidform, in (gefalteter) Hohlraumform
(reentrant shape), in Meurer-Form, in Kugelform, in
Viereckform usw.; außerdem gibt es Abwandlungen dieser
Formen.
Tiefe Brennraum-Kolbenmulden besitzen eine Tendenz zur
Emission einer großen Menge an Kohlenwasserstoffen und
Stickoxiden und zu einer starken Rauchentwicklung beim
Beschleunigen der Maschine. Mitteltiefe Brennraum-Kolbenmulden
verschiedener Formen werden allgemein bei
kleinen und mittelgroßen Brennkraftmaschinen vorgesehen
(vgl. JP-Patentveröffentlichung (B2) Nr. (Sho) 60-56 893).
Von hohlraumartigen oder gefalteten Kolbenmulden
ist bekannt, daß sie eine bessere Vermischung von
Kraftstoff mit Luft aufgrund einer am Ende des Verdichtungshubs
des Kolbens auftretenden besseren Quetsch-
Luftbewegung oder -Luftverwirbelung gewährleisten.
Zur Erzielung optimaler Verbrennung ist oder wird der
Brennraum so ausgestaltet, daß der eingespritzte Kraftstoff
primär mit dem gegebenen Luftwirbel vermischt und
im Brennraum verbrannt wird, worauf der dabei entstehende
Rauch (Polymer) nachverbrannt wird und auch unverbrannte
Kohlenwasserstoffe sowie Kohlenmonoxid gleichzeitig mit
der richtigen Menge an Restluft nachverbrannt werden.
Wenn Rauch, Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid
einer sekundären Nachverbrennung unterworfen werden, kann
der Verbrennungsprozeß im Sinne einer Verringerung der
Entstehung von Stickoxidverbindungen eingestellt bzw.
geregelt werden. Zum Einblasen der Sekundärluft kann ein
weiteres Lufteinblasventil eingebaut werden, doch liefert
dies keine zufriedenstellenden Ergebnisse. Da die Zeitdauer
des Verbrennungsprozesses äußerst kurz ist und die
Diffusionsverbrennung, während welcher die Sekundärluft
benötigt wird, kürzer ist als dieser Verbrennungsprozeß,
gestalten sich die Einstellung der Einspritzzeit und die
Einstellung oder Regelung der Einblasluftmenge in Abhängigkeit
von der Maschinenbelastung, nämlich der Kraftstoff-
Einspritzmenge, sehr kompliziert.
Es wäre daher höchst wünschenswert, irgendeinen Brennraum
zur Verfügung zu haben, in welchem Luft nicht nur für die
Anfangs-Verbrennungsstufe oder -phase, sondern auch für
die Diffusionsverbrennungsperiode genutzt wird. Tatsächlich
hängt eine solche Anordnung von der geometrischen
Form des Brennraums ab. Unter den Möglichkeiten für die
Ausgestaltung der genannten Anordnung liefert das Vorsehen
eines vertieften Raums in der Bodenfläche der Mulde
keine zufriedenstellenden Ergebnisse, weil der Kraftstoff
vor dem Auftreten der Verbrennung in diesen Raum eindringt
und diesen füllt; üblicherweise wird der Kraftstoff
von der Oberseite des Brennraums zum Boden der
Mulde eingespritzt, wenn auch mit einer gewissen Neigung
oder Schrägstellung, und der Einspritzdruck ist dabei
sehr hoch.
Vor diesem Hintergrund wurde der Viereckform-Brennraum für
toroid- oder ringwulstförmige Kolbenmulden entwickelt; er
ist jedoch nicht nur mit dem Mangel behaftet, daß die
erforderliche Sekundärluftmenge nicht optimiert werden
kann, vielmehr ist auch die Kraft der Wirbelströmung
nicht groß genug, um die Sekundärluft für das Erreichen
des angestrebten Ziels zu nutzen, während der Auslaß des
Raums gemäß Fig. 4A dekonzentriert ist (vgl.
JP-Patentveröffentlichung (B2) Nr. (Sho) 60-24289).
Aus der DE-OS 15 26 310 ist ein Kammerkolben für
Verbrennungsmaschinen bekannt, bei dem in die Wandung einer
im Kolbenboden eingelassenen Verbrennungskammer eine Anzahl
von Nischen bogenförmig ausgearbeitet sind, die durch zur
Kammermitte gerichtete Vorsprünge voneinander getrennt
sind. Über eine Einspritzdüse wird jeweils ein
Brennstoffstrahl in jede Nische auf die Nischenwand
eingespritzt. Durch die Vorsprünge sollen bei einem
tangential in die Kammer eingeleiteten Luftstrom
Turbulenzen erzeugt werden.
Aus der WO 85/00198 A1 ist ebenfalls eine mit einer Anzahl
von Ausnehmungen versehene Verbrennungskammer bekannt, bei
dem die Einspritzung des Brennstoffes ebenfalls in die
Ausnehmung erfolgt, wobei hier ein Auftreffort der
Brennstoffstrahlen innerhalb der Ausnehmungen variiert
werden kann.
Eine weitere Ausgestaltung einer Kolbenboden-Brennraummulde
für einen Dieselmotor ist in der JP-60-11624 (A)
beschrieben. Diese Brennkammer umfaßt einen im Kolbenboden
ausgebildeten Hauptbrennraum sowie eine Anzahl von aus der
Wand ausgeformten Ausnehmungen stromabseitig der
Wirbelrichtung, die durch Einspritzen von Kraftstoff in den
Randbereich der jeweiligen Ausnehmung erzeugt wird. Die
Ausnehmungen haben im Vergleich zum Hauptbrennraum nur eine
geringe Tiefe.
Schließlich beschreibt noch die DE-OS 27 53 341 einen
zylinderförmigen Brennraum mit mehreren an der Umfangswand
angeordneten, unsymmetrischen Ausnehmungen mit einem
stufenförmigen Absatz und einem daran anschließenden, in
Umfangsrichtung tangentialen Auslauf. Der Kraftstoff wird
entweder mittig in die Vertiefung, unmittelbar im Bereich
des stufenförmigen Absatzes oder auf die Zylinderwand vor
einer Ausnehmung aufgespritzt. Dadurch soll bei dieser
speziellen Muldengeometrie durch eine Intensivierung der
Luftbewegung eine Abdampfung des Kraftstoffes von der
Brennraumwand und damit eine möglichst gleichmäßige und
intensive Vermischung von Kraftstoff und Luft bei der
Gemischaufbereitung erreicht werden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
Brennraum in Vorschlag zu bringen, der im Boden eines
Kolbens einer Kraftstoffeinspritz-Dieselmaschine
ausgebildet ist und mit dem eine weitgehende
schadstoffreduzierung möglich ist.
Die Erfindung betrifft einen Brennraum, der im Boden eines
Kolbens einer Kraftstoffeinpritz-Dieselmaschine
ausgebildet ist, mit einem torroidförmigen Hauptbrennraum
(C), dessen Durchmesser d im Bereich des 0,522- bis 0,552
fachen des Kolbendurchmessers D liegt, und mit mehreren aus
der Wand des Hauptbrennraumes (C) ausgebuchteten
Nebenräumen (CA), deren Querschnitte die Form von
Kreisabschnitten aufweisen, die sich vom oberen zum unteren
Ende des Hauptbrennraumes (C) erstrecken, wobei der Radius
A jedes Nebenraumes (CA) im Bereich von 0,179d bis 0,370d
liegt, und die Mittelpunkte der Nebenräume (CA) auf einem
Kreis liegen, dessen Mittelpunkt auch der Mittelpunkt des
Hauptbrennraumes (C) ist, und dessen Radius B im Bereich
von 0,190d bis 0,446d liegt, wobei die Summe von Radius A
und Radius B größer ist als 0,5d, und wobei durch eine
Kraftstoff-Einspritzdüse Einspritzstrahlen jeweils auf die
Wand des Hauptbrennraumes (C) zwischen den Nebenräumen (CA)
gerichtet sind.
Unter Festlegung der oben beschriebenen, das Wesen der
Erfindung bildenden geometrischen Form des Brennraums
durchgeführte Versuche zeigten, daß der Ausstoß an
Stickoxiden, Kohlenmonoxid, unverbrannten Kohlen
wasserstoffen und Rauch deutlich verringert war. Beim
erfindungsgemäßen Brennraum beträgt die Ausstoßmenge an
NOx 230-273 ppm (Teile pro Million Teile), gemessen
nach der Testmethode gemäß der in Korea und Japan
gültigen Schadstoffkontrollverordnung, d. h. sie ist
deutlich niedriger als der zulässige Grenzwert für Korea
(850 ppm) oder Japan (540 ppm). Der CO-Ausstoß liegt mit
349 ppm unter den in Korea und Japan zulässigen Grenz
werten. Die Bosch-Rauchzahl oder -grenze (smoke Bosch)
beträgt 4 und ist damit niedriger als der zulässige
Grenzwert von 5. Der erfindungsgemäße Brennraum gewähr
leistet damit eine überraschende Wirkung. Das Ergebnis
ist erheblich besser als beim (gefalteten)
Hohlraumform-Brennraum (reentrant type combustion
chamber) z. B. nach der US-PS 4 538 566. Außerdem ist die
erfindungsgemäße Ausgestaltung fertigungsgünstiger als
die zuletzt genannte Brennraumform.
Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines
Brennkraftmaschinen-Brennraums gemäß einem Ausführungsbeispiel der
Erfindung zur Verdeutlichung seiner geometrischen Form
in der Richtung senkrecht zu der Achse des
Kolbens,
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Luftströmung im
Kolben-Brennraum gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 3 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Teilschnitt
ansicht des Brennraums gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung
im tatsächlichen Betriebs- bzw. Montagezustand
zur Veranschaulichung der Kraftstoffausbreitung
bzw. -verteilung und
Fig. 4A und 4B schematische Darstellungen für einen
Vergleich der Luft-Wirbelbewegungen an den Ecken
von senkrecht zur Kolbenachse ausgebildeten
Mulden im Fall einer Viereckmulde und einer
toroid- oder ringwulstförmigen Kolbenmulde.
Gemäß den Fig. 2 und 3 erfolgt die Kraftstoffeinspritzung
auf die bei S angedeutete Weise unter hohem Druck über
eine in einem Zylinderkopf H montierte Kraftstoff-Einspritzdüse
N in die Mulde eines im oberen Ende bzw. Boden
eines Kolbens P ausgebildeten Brennraums C. Dabei erfolgt
eine Ausbreitung oder Verteilung des Kraftstoffs durch
einen im Hauptbrennraum C entstehenden Drall oder Wirbel
T in Richtung des Wirbels längs der Wand des (im Kolbenboden
geformten) Brennraums, worauf der Kraftstoff
gezündet und verbrannt wird. Bei der Ausbreitung und
Verbrennung des durch den Wirbel bzw. Drall erzeugten
Kraftstoff-Luftgemisches dehnt sich die Luft in Neben(brenn)räumen
CA, die jeweils zwischen Kraftstoff-Einspritzstrahlen
S liegen, aufgrund der Erwärmung
durch das Hochtemperatur-Verbrennungsgas aus, und sie dringt in
Richtung des Zentrums des Hauptbrennraums unter Erzeugung
von Impulsen und Hervorbringung einer guten Vermischung
von Sekundärluft mit brennbaren Bestandteilen
ein.
Die in der Mulde auftretende Sekundärluftbewegungserscheinung,
die eine Vermischungswirkung in der Diffusionsverbrennungsphase
bewirkt, ist in den Fig. 4A und 4B
dargestellt. Fig. 4A zeigt einen Schnitt-Teil einer
bisherigen Viereckform-Mulde, in welcher ein an den Ecken
der Mulde auftretender Wirbel DE so verteilt
ist, daß die Eindringwirkung der Luft zum Zentrum der
Mulde zu gering ist, um eine Vermischung mit den brennbaren
Bestandteilen zu bewirken. Bei dem in Fig. 4B
gezeigten Brennraum ist dagegen die
bzw. jede tunnelartige Ausnehmung, die von der Oberseite
der Kolbenmulde bis zu deren Boden ausgebildet ist, so
mit vorspringenden Kanten CP geformt, daß sie eine Art
Raum bildet, der frische Luft enthalten kann, die während
des Verbrennungsprozesses erwärmt und ausgetrieben
wird und in Richtung auf das Zentrum der
Kolbenmulde vordringt, was eine ausgezeichnete Vermischung
mit den brennbaren Bestandteilen in der Diffusionsverbrennungsphase
ergibt.
Als Ergebnis erfolgt eine Diffusionsverbrennung mit hohem
Wirkungsgrad; außerdem wird das Verbrennungsgas unter
Verringerung der Entstehend von Stickoxiden und unter
gleichzeitiger Verbrennung der restlichen brennbaren
Bestandteile gekühlt. Dieser Sekundäreffekt hängt von
Form, Größe und Lage des Nebenraums CA ab; die Zahl der
Nebenräume CA hängt von der Zahl der Kraftstoff-Einspritzstrahlen
ab. In jedem Fall soll ein Strahl S
jeweils auf eine Stelle zwischen den Ausnehmungen der
Nebenräume CA auftreffen.
Die geometrische Form der im Kolbenboden vorgesehenen
Brennraum-Kolbenmulde gemäß der Erfindung läßt sich wie
folgt definieren:
Zunächst besitzt der Hauptbrennraum C einen Durchmesser d
im Bereich des 0,522- bis 0,552fachen des
Kolbendurchmessers D. Der Nebenraum CA weist eine vom
oberen zum unteren Ende des Hauptbrennraums C
durchgehende tunnelartige Form eines halbkreisförmigen
Querschnitts mit einer Grundlinie des Radius A im Bereich
von 0,179d-0,370d auf. Diese
Halbkreisform ist auf einem auf einem Umfang eines
Kreises liegenden Punkt zentriert, dessen Radius B im
Bereich von 0,190d-0,446d vom
Zentrum a des Hauptbrennraumumkreises liegt, wobei jeder
Nebenraum jeweils zwischen zwei Einspritzstrahlen liegt.
Obgleich in der Zeichnung vier Nebenräume CA dargestellt
sind, ist die Erfindung ersichtlicherweise nicht auf
diese spezielle Ausgestaltung beschränkt.
Claims (1)
- Brennraum, der im Boden eines Kolbens einer Kraftstoffeinspritz-Dieselmaschine ausgebildet ist,
mit einem torroidförmigen Hauptbrennraum (C), dessen Durchmesser d im Bereich des 0,522- bis 0,552fachen des Kolbendurchmessers D liegt, und
mit mehreren aus der Wand des Hauptbrennraumes (C) ausgebuchteten Nebenräumen (CA), deren Querschnitte die Form von Kreisabschnitten aufweisen, die sich vom oberen zum unteren Ende des Hauptbrennraumes (C) erstrecken, wobei der Radius A jedes Nebenraumes (CA) im Bereich von 0,179d bis 0,370d liegt, und die Mittelpunkte der Nebenräume (CA) auf einem Kreis liegen, dessen Mittelpunkt auch der Mittelpunkt des Hauptbrennraumes (C) ist, und dessen Radius B im Bereich von 0,190d bis 0,446d liegt, wobei die Summe von Radius A und Radius B größer ist als 0,5d, und wobei durch eine Kraftstoff-Einspritzdüse Einspritzstrahlen jeweils auf die Wand des Hauptbrennraumes (C) zwischen den Nebenräumen (CA) gerichtet sind.
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