DE69007899T2

DE69007899T2 - Brennraum für Diesel-Brennkraftmaschine.

Info

Publication number: DE69007899T2
Application number: DE69007899T
Authority: DE
Inventors: Toru Kawatani; Susumu Kohketsu; Eiji Mizote; Tomomi Nakagawa; Tetsuo Suzuki; Yoshihisa Yamaki
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Priority date: 1989-08-09
Filing date: 1990-08-09
Publication date: 1994-08-11
Anticipated expiration: 2010-08-10
Also published as: DE69007899D1; EP0412552A1; EP0412552B1; KR940006054B1; KR910004925A; US5099809A; DE412552T1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Bereich der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Brennraum mit einer Einspritzdüse für eine Diesel-Brennkraftmaschine und insbesondere die Ausbildung eines Brennraumes zum Verringern der Erzeugung schädlicher Bestandteile im Abgas, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1.

Erörterung des Hintergrundes

In herkömmlicher Weise ist für einen Brennraum einer Diesel-Brennkraftmaschine ein Aufbau bekannt, wobei der Brennraum als konkaver Abschnitt in der Kopffläche eines Kolbens vorgesehen ist und Treibstoff unmittelbar in die Luft eingespritzt wird, die in diesem Brennraum komprimiert wird. Diese Art eines Brennraums wird als torusförmiger Brennraum bezeichnet.
FR-A-2 388 997 beschreibt einen Brennraum für eine Diesel-Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung und eine Einspritzdüse, wobei der Brennraum einen aufgebauten Vorsprung aufweist, der mit konischer Form in der Mitte der Bodenfläche eines kreisförmigen, konkaven Abschnitts ausgebildet ist, der im Kopfabschnitt eines Kolbens ausgebildet ist, wobei der kreisförmige, konkave Abschnitt einen Umfangskantenabschnitt aufweist, der als Kreisbogen ausgebildet ist, der an diesen Vorsprung angefügt und mit einer Seitenwandfläche verbunden ist.
BE-A-496 710 offenbart einen Brennraum, in dem der Vorsprung zwei Bereiche mit unterschiedlichen Neigungswinkeln aufweist.
EP-A-271 478 offenbart einen Brennraum, in dem der Vorsprung eine konvexe Form hat.
Wenn der Kolben ansteigt, dann wird die Luft im Inneren des Brennraums veranlaßt, zu rotieren, um einen Wirbelstrom zu bilden. Dann muß, damit der Treibstoff strom diesen Wirbelstrom schneidet und beschleunigt wird, der Wirbelstrom eine Stärke aufweisen, daß er über den gesamten Umfang so rotiert, daß der Treibstoff gleichförmig in Umfangsrichtung im Zwischenraum zwischen aufeinanderfolgenden Einspritzvorgängen vermischt wird.
Zusätzlich wird das Gemisch von Treibstoff und Luft gleichförmig gemacht, insbesondere gibt es keine zeitliche Konzentration des Treibstoffes. Deshalb liegt, weil der Treibstoff kontinuierlich eingespritzt wird, eine wirksame Verringerung des schwarzen Rauches und des NOx in den Abgasen vor, die schädliche Substanzen sind.
Aus diesen Gründen wurde herkömmlicherweise vorgeschlagen, daß die Form des konkaven Abschnitts im Verbrennungsraum herzförmig, halbkugelig oder kugelförmig sein soll.
Mit einem Brennraum irgendeiner der oben erwähnten Formen ist jedoch die Verbrennung an der Seitenwandfläche, wo auffassungsgemäß die beste Vermischung von Treibstoff und Luft stattfindet, nicht vollständig und es liegt eine Neigung vor, daß eine unvollständige Verbrennung erreicht wird.
Insbesondere wird der Treibstoff, der in der Mitte des Brennraumes eingespritzt wird, nicht hinlänglich verteilt und nicht in feine Partikel aufgebrochen. Er befindet sich deshalb nicht in einem Zustand, in dem die Zündung aus der Berührung mit der Luft stattfinden kann. Als Ergebnis trägt die Luft an der Mitte des Wirbelstromes nicht besonders zur Wirkung der glatten Zündung des Brennstoffes bei. Das Gemisch von Luft und Treibstoff nahe der Oberfläche der Seitenwand wird heftig vermischt, aber es liegt die Neigung zu einem Mangel an Luft vor, die für die Verbrennung erforderlich ist. Wenn deshalb ausreichende Luft zur Verbrennung des Brennstoffes fehlt, findet eine unvollständige Verbrennung statt und es gibt eine große Menge schädlicher Bestandteile, die in den Abgasen erzeugt werden.
Weil zusätzlich die Vermischung und das Durchwirbeln von Luft und Treibstoff am konkaven Abschnitt der Seitenwandfläche von der Stärke des Wirbelstromes abhängig ist, ist es schwierig, eine gleichförmige Vermischungsleistung zu garantieren.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, unter gebührender Berücksichtigung der Nachteile solcher herkömmlicher Brennkammern, eine Brennkammer für eine Diesel-Brennkraftmaschine vorzusehen, die das Auftreten schädlicher Bestandteile verringern kann und insbesondere das Auftreten von schwarzem Rauch und NOx in den Abgasen verringern kann.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Brennraum für eine Diesel-Brennkraftmaschine vorzusehen, in den eine maximale Luftmenge an einer Stelle eingespeist werden kann, an welcher der Treibstoff heftig mit der Luft vermischt werden kann.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Brennraum für eine Diesel-Brennkraftmaschine vorzusehen, worin der Treibstoff und die Luft mit verbesserter Vermengung und Rührwirkung vermischt werden.
Diese Ziele werden in der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht, daß man einen Brennraum für eine Diesel-Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung vorsieht, worin die Mitte der Bodenfläche des kreisförmigen, konkaven Abschnitts, der im Kopfabschnitt eines Kolbens ausgebildet ist, einen Vorsprung hat, der in einer konischen Form aufgebaut ist. Dieser Vorsprung ist aus einem Bodenabschnitt mit einer steilen Steigung aufgebaut, der an der Bodenf läche des konkaven Abschnitts angeordnet ist, und einem konischen Trapezoid mit einer sanften Steigung am oberen Abschnitt, der an der Kopffläche angeordnet ist. Weil der Kopf flach ist, ist dementsprechend der Vorsprung daran gehindert, störend in die Einspritzdüse einzugreifen, und die Luft in der Mitte des Brennraumes wird zur Seitenwandfläche hin geleitet.
Zusätzlich ist der Kopfwinkel des konischen Trapezoids um 100 bis 300 kleiner ausgebildet als der Konuswinkel der Einspritzdüse, und der Winkel zwischen der geneigten Oberfläche des Bodenabschnitts, der der Seitenwandfläche des konkaven Abschnitts zugewandt ist, ist auf 0º bis 30º festgesetzt. Dementsprechend ist der Treibstoff, der von der Einspritzdüse her versprüht wird, daran gehindert, auf den Bodenabschnitt des Vorsprungs auf zutreffen, und dieser Treibstoff strömt zur Seitenwandfläche hin.
Ferner ist im Brennraum für die Diesel-Brennkraftmaschine der vorliegenden Erfindung der Hinterschneidungswinkel der Seitenwandfläche auf 200 bis 300 festgesetzt. Wenn dementsprechend der Kolben angehoben wird, dann ist der Luftstrom, der in den Brennraum eintritt, turbulent, so daß die laminare Strömung an der Seitenwandfläche verhindert ist und das Verrühren des Brennstoffs verbessert wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Diese und andere Ziele, Merkmale und Vorzüge der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele noch näher ersichtlich, die in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung vorgenommen wird, in welcher:
FIG. 1 ein Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines Brennraumes für eine Diesel-Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
FIG. 2 ein Querschnitt eines anderen Ausführungsbeispiels eines Brennraumens für eine Diesel-Brennkraftmaschine entsprechend der vorliegenden Erfindung ist.
FIG. 3 ein Diagramin ist, das die Zuordnung zwischen dem Durchmesser und der Oberflächengröße des Brennraumes erläutert, der in FIG. 2 gezeigt ist.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Es wird nun auf FIG. 1 Bezug genommen; in einem Brennraum 2, der an der Mitte des Kopfabschnittes eines Kolbens 1 ausgebildet ist, ist der Innendurchmesser D&sub2; eines offenen Endes 2a einer kreisförmigen Vertiefung kleiner als der maximale Innendurchmesser D&sub3; der Innenseite des Brennraums (D&sub2; < D&sub3;). Ein Vorsprung 3 ist an der Mitte der Bodenfläche ausgebildet.
Der Vorsprung 3 ist größer als ein herkömmlicher Vorsprung und etwa die Hälfte der Vorsprungs-Unterseite (nachfolgend als der Bodenabschnitt bezeichnet) 3a ist ein Kegel, der steil aufrecht ansteigt. Die obere Hälfte (nachfolgend als oberer Abschnitt bezeichnet) 3b, die mit dem Bodenabschnitt 3a zusammengefügt ist, ist ein nahezu konisches Trapezoid mit einer Oberfläche, die eine sanftere Steigung aufweist als der untere Abschnitt 3a. Die Tiefe der Kopfabschnitts-Niveaufläche, im einzelnen der Abschnitt in der Mitte der Brennkammer 2, ist geringfügig kleiner als die eines herkömmlichen Vorsprungs.
Ein Kopfwinkel ß des oberen Abschnitts des Vorsprungs 3, im einzelnen des konischen Trapezoids 3b, ist ein geringfügig kleinerer Winkel als der Konuswinkel Θ einer Einspritzdüse 4, die oberhalb des Vorsprungs 3 auf der Mittellinie des Brennraumes 2 eingerichtet ist. Im einzelnen ist der Kopfwinkel ß auf einen Winkel eingestellt, der um 10º bis 30º kleiner ist als der Kegelwinkel Θ [ß = Θ-(10º bis 30º)]. Deshalb wird dadurch, daß man den oberen Abschnitt 3b des Vorsprungs 3 als konisches Trapezoid und den Kopfabschnitt als flache Oberfläche ausbildet, die Behinderung der Einspritzdüse 4 vermieden. Zusätzlich wird dadurch, daß man den Bodenabschnitt 3a des Vorsprungs 3 als steil aufrechte, geneigte Fläche und den oberen Abschnitt 3b als sanft ansteigende Fläche ausbildet, der Treibstoff, der von der Einspritzdüse 4 versprüht wird, daran gehindert, die geneigte Fläche 3c des Bodenabschnitts 3a des Vorsprungs 3 zu erreichen.
Ein Umfangskantenabschnitt und eine Seitenwandfläche des Bodenabschnitts, im einzelnen ein Boden-Bogenabschnitt 2b, der an den Bodenabschnitt 3a des Vorsprungs 3 des Brennraumes 2 angefügt ist, ist so geformt, daß ein kugeliger Körperlängs des Umfangs des Bodenabschnitts 3a des Vorsprungs 3 folgen kann, wenn er rollend bewegt wird, und der äußere Seitenabschnitt der Bodenfläche des Brennraums 2 hat einen Querschnitt, der einen Teil eines Kreises umschließt, und zwar im einzelnen in der Form eines Bogens. Der Radius R dieses Bogens ist im Bereich von R = 0,12 D&sub2; bis 0,18 D&sub2; festgesetzt. Hier ist der Wert D&sub2; der Innendurchmesser des offenen Endes 2a des Brennraumes 2, wie schon vorher vermerkt.
Eine Seitenwandfläche 2c, die an den Boden-Bogenabschnitt 2b des Brennraumes 2 angefügt ist, ist eine geneigte Fläche, die sich mit abnehmendem Durchmesser in der Richtung nach oben verjüngt. Die Seitenwandfläche 2c und die geneigte Fläche 3c des Bodenabschnitts 3a des Vorsprungs 3 weisen entgegengesetzt entweder parallel oder unter einem geringen Winkel α. Der Winkel α ist auf dem Bereich von 0º bis 30º festgesetzt. Der maximale Durchmesser D3 des Brennraumes 2 liegt nahe der Verbindung der Seitenwandfläche 2c des Boden-Bogenabschnitts 2b des Brennraumes 2. Der Hinterschneidungswinkel γº an der Seitenwand 2c ist auf einem Bereich von 20º bis 25º festgesetzt.
Bei dieser Ausbildung ist der Innendurchmesser D&sub2; des Brennraumes 2 gering. Der maximale Durchmesser D&sub3; ist groß und der tiefste Abschnitt hat eine große Tiefe h, so daß der Vorsprung 3 groß ist.
Im Brennraum 2 mit der in FIG. 1 gezeigten Form schreitet der Treibstoff, der von der Einspritzdüse 4 eingesprüht wird, zum Bodenabschnitt der Seitenwandfläche 2c des Brennraumes 2 quer zu einem rotierenden Luftstrom voran, insbesondere einem Wirbelstrom, der im Brennraum 2 erzeugt wird, und der Sprühnebel wird allmählich durch den Strom neuer Luft hindurch verteilt. Zusätzlich kann deshalb, weil der mittlere Vorsprung 3 groß ist, die überschüssige Luft in der Nähe der Seitenwandfläche 2c des Brennraumes 2 nahe der Mitte des Brennraumes, die nicht an der Verbrennung teilnimmt, wirksam an der Mitte des Luftstromes zum Brennraum 2 hin genutzt werden. Weil ferner der Brennraum 2 einen kleinen Durchmesser D&sub2; am offenen Ende 2a hat, einen großen Maximaldurchmesser D&sub3; und eine große maximale Tiefe h, kann, selbst wenn sich der Kolben 1 abwärts bewegt, ein guter Wirbelstrom, insbesondere eine gute Luftströmung, beibehalten werden.
Als Ergebnis ist die Zerstäubung des Treibstoffes beschleunigt, die Zündung ist verbessert und die Verbrennung des Treibstoffes im Brennraum 2 ist gut, so daß die Erzeugung von schwarzem Rauch gehemmt ist. Dies führt zu einer Verbesserung in der Motorleistung.
FIG. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel des Brennraums der vorliegenden Erfindung. Es wird nun auf FIG. 2 Bezug genommen; ein Brennraum 2' hat zusätzlich zur Ausbildung des Brennraumes 2, der in FIG. 1 gezeigt ist, eine äußere gekrümmte Fläche 2'd mit einem Radius R&sub1;, die mit einer Seitenwandfläche 2'c eines Boden-Bogenabschnitts 2'b verbunden ist, eine innere gekrümmte Fläche 2'e mit einem Radius R&sub2;, die mit einem Bodenabschnitt 3'a des Vorsprungs 3' verbunden ist (wobei R&sub1; ≠ R&sub2;) und hat eine Fläche (Verbrennungsfläche) Si = π x d&sub1; x l&sub1; in einer Lage, wo der Durchmesser der Brennkammer 2' d&sub1; beträgt. Zusätzlich sind so, daß die Fläche Si näherungsweise an der Mitte der Brennkammer 2' vergrößert wird, wie in FIG. 3 gezeigt ist, die Mitten O&sub1;, O&sub2; der Radien R&sub1;, R&sub2; der gekrümmten Flächen 2'd, 2'e nur um einen Abstand a getrennt (wobei a = etwa 2 bis 6 mm), und ein flacher Abschnitt 2'f ist an der Bodenfläche des Brennraumes 2' vorgesehen, im einzelnen am Boden-Bogenabschnitt 2'b.
Der Brennraum 2', der diese Form hat, veranlaßt die Flamme, sich zur Mitte des Brennraumes 2' hin auszuweiten, verbessert die Verbrennung nach der Zündung noch weiter und liefert somit verringerte Treibstoffkosten.

Claims

1. Brennraum (2) mit einer Einspritzdüse (4) für eine Diesel-Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, wobei der Brennraum einen aufgebauten Abschnitt (3) aufweist, der in konischer Form in der Mitte einer Bodenfläche eines kreisförmigen, konkaven Abschnitts ausgebildet ist, sowie einen Boden-Bogenabschnitt (2b), der einen Kreisbogen aufweist, an diesen Vorsprung (3) angefügt ist und mit einer Seitenwandfläche (2c) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorsprung (3) einen Bodenabschnitt (3a), der an einer Bodenflächenseite gelegen ist und als eine Fläche (3c) mit einer steilen Steigung ausgebildet ist, und einen oberen Abschnitt (3b) kombiniert, der an der Seite eines Kopfabschnitts gelegen ist und als konisches Trapezoid ausgebildet ist, das eine sanft ansteigende Fläche aufweist; daß der Kopfwinkel (ß) des konischen Trapezoids um 10º bis 30º kleiner ausgebildet ist als der Kegelwinkel (Θ) der Einspritzdüse (4); und daß der Winkel (α) zwischen der Seitenwandfläche des Brennraums (2) und der geneigten Fläche des Bodenabschnitts, die der Seitenwandfläche zugewandt ist, auf 0º bis 30º festgesetzt ist.

2. Brennraum nach Anspruch 1, worin der Boden-Bogenabschnitt (2b) des konkaven Abschnitts, der den Bodenabschnitt (3a), Vorsprungs (3) und die Seitenwandfläche (2c) verbindet, in einer Form ausgebildet ist, die es einem kugeligen Körper gestattet, in Umfangsrichtung abgerollt zu werden; und daß der Radius R des Boden-Bogenabschnitts (2b) gleich 0,12 D bis 0,18 D beträgt (R = 0,12 D bis 0,18 D), wobei D der Innendurchmesser des offenen Endes (2a) des Brennraums (2) ist.

3. Brennraum nach Anspruch 1, worin die Seitenwandfläche (2c) einen Hinterschneidungswinkel von 20º bis 25º hat.

4. Brennraum nach den Ansprüchen 1 bis 3, worin die Höhe des Vorsprungs (3) so ist, daß sich der Vorsprung (3) bis zu einer Lage erstreckt, an welcher er den Treibstoff-Sprühnebel aus der Einspritzdüse (4) nicht absperrt.

5. Brennraum nach Anspruch 1, worin der Boden-Bogenabschnitt (2b) des konkaven Abschnitts, der den Bodenabschnitt (3'a) des Vorsprungs (3') und die Seitenwandfläche (2c) verbindet, eine gekrümmte Fläche (2'd) mit einem Radius R&sub1; an der Außenseite aufweist, die mit der Seitenwand verbunden ist, und eine gekrümmte Fläche (2'e) mit einem Radius R&sub2; an der Innenseite hat, die mit dem Bodenabschnitt verbunden ist; und daß ein flacher Abschnitt (2'f) zwischen der gekrümmten Fläche (2'd) an der Außenseite und der gekrümmten Fläche (2'e) an der Innenseite vorgesehen ist, wobei die Mitten der Radien R&sub1;, R&sub2; nur um einen Abstand a getrennt sind.