DE69329823T2

DE69329823T2 - Brennkammer für brennkraftmaschine und verfahren zur verbrennung mittels brennstoffradikalen

Info

Publication number: DE69329823T2
Application number: DE69329823T
Authority: DE
Inventors: R. Bopp; C. Failla; Carlo Leto Di Priolo; P. Mccowan; P. Naydan; A. Pouring
Original assignee: Sonex Research Inc
Current assignee: Sonex Research Inc
Priority date: 1992-06-17
Filing date: 1993-06-08
Publication date: 2001-07-19
Anticipated expiration: 2013-06-09
Also published as: DE69329823D1; EP0650556A4; JPH08501133A; CA2138158A1; EP0650556B1; EP0650556A1; WO1993025812A1; TW218404B; JP3124550B2; US5322042A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft das Gebiet der Verbrennungsmotoren und insbesondere Kolben für solche Motoren.

2. Erörterung des Stands der Technik

Eine Kolbenanordnung zum Erreichen einer verbesserten Steuerung der Zünd- und Verbrennungscharakteristika einer Kraftstoffbeschickung in einem Verbrennungsmotor und ein Verfahren zum Erreichen dieser gesteuerten Zündung und Verbrennung durch die Erzeugung und Handhabung von Kraftstoffradikalen innerhalb der Verbrennungskammer eines solchen Motors sind im am 6. Februar 1990 erteilten US-Patent 4 898 135 beschrieben. Gemäß diesem Patent weist ein Kolben für einen Verbrennungsmotor, der funken- oder verdichtungsgezündet sein kann, eine zentrale Ausnehmung zum Aufnehmen des größten Teils jeder Beschickung während jedes Verbrennungszyklus des Motors und eine neben der Ausnehmung angeordnete Reaktionskammer zum Aufnehmen eines Teils des Kraftstoffs und der Luft jeder Beschickung auf. Während jedes Verbrennungszyklus wird der Teil der Beschickung, der sich in der Reaktionskammer befindet, einer Kaltflammenreaktion unterzogen, wodurch Kraftstoffradikale erzeugt werden, die in einem nachfolgenden Verbrennungszyklus abgegeben werden, um die nächste in die Verbrennungskammer eingelassene Beschickung zu impfen.
Gemäß den Lehren des erwähnten Patents erfordert das Erzeugeh und Handhaben von Kraftstoffradikalen eine Kontrolle über die Art, in der der Kraftstoff und die Luft jeder Beschickung in die Reaktionskammer eingelassen werden, und auch der Art, in der das Ausgasen der Reaktionskammer in die Verbrennungszone erfolgt. Gemäß dem früheren Patent ist eine durchgehende Schlitzöffnung mit kritischen Abmessungen vorgesehen, um unter gedrosselten Strömungsbedingungen während des Verdichtungsereignisses jedes Verbrennungszyklus in erster Linie Kraftstoff und Luft in die Reaktionskammer einzulassen und um das Ausgasen der Kammer in die Hauptverbrennungskammer auch unter gedrosselten Strömungsbedingungen zu ermöglichen, wodurch infolge der zeitlichen Verzögerung beim Ausgasen der Reaktionskammer eine Zufuhr von Kraftstoffradikalen während jedes Verbrennungszyklus bewahrt bleibt, die beim nächsten Verbrennungszyklus zu verwenden sind. Wahlweise können gemäß den Lehren des früheren Patents auch eine oder mehrere diskrete Öffnungen vorgesehen sein, um zum Erreichen einer besseren Steuerung des Einlassens von Kraftstoff in die Reaktionskammer eine Kommunikation zwischen der Kolbenausnehmung und der Reaktionskammer bereitzustellen.
Für eine vollständige Erörterung der von der im früheren Patent beschriebenen Kolbenkonfiguration bereitgestellten Vorteile und für eine vollständigere Erklärung der Art, in der Kraftstoffradikale bei einem Kolben mit der oben beschriebenen Konfiguration erzeugt und gehandhabt werden, kann auf die geschriebene Beschreibung und die Zeichnung · des früheren Patents Bezug genommen werden. Im wesentlichen beschreibt das Patent die Art, in der ein gesteuertes Impfen einer Kraftstoffbeschickung vor dem Zünden in einem Verbrennungsmotor verwendet werden kann, um ein zuverlässiges und vorhersehbares Zünden und eine klopffreie Verbrennung von Kraftstoffen zu erzeugen, die andernfalls als ohne Zündverbesserer schwer zu zünden angesehen werden würden oder bei denen während bestimmter Motorbetriebsbedingungen ein Klopfen auftreten würde, was vom verwendeten Motortyp abhängt. Gemäß dem früheren Patent ist die Erzeugung und Handhabung der Zufuhr von Radikalen in der Verbrennungskammer zum Erreichen der anerkannten Vorteile des Impfens einer Kraftstoffbeschickung mit solchen Radikalen mit der Verwendung einer Reaktionskammer verbunden, die sich mit einem System, das eine gesteuerte Kommunikation zwischen der Hauptverbrennungskammer des Motors und der Reaktionskammer bietet, neben einer Kolbenausnehmung befindet.
Wenngleich die Verwendung einer durchgehenden Schlitzöffnung mit geeigneten Abmessungen gemäß dem früheren Patent als ein geeignetes Mittel zum Erreichen einer gesteuerten Kommunikation zwischen der Hauptverbrennungskammer und der Reaktionskammer angesehen wurde, wurde vor kurzem entdeckt, daß bei der durchgehenden Schlitzöffnung im Kronenbereich des Kolbens Wärmeübertragungsprobleme auftreten können und daß weiterhin bestimmte Schwierigkeiten beim Ermöglichen der Steuerung von in die Reaktionskammer eingelassener Luft und darin eingelassenem Kraftstoff hervorgerufen werden. Es wurde beobachtet, daß es sehr wünschenswert wäre, das Einlassen von Luft- und Kraftstoffbestandteilen in die Reaktionskammer genauer zu steuern und eine bessere Wärmeübertragung zwischen dem Kronenabschnitt des Kolbens und dem Hauptkörper des Kolbens in dem Bereich zu ermöglichen, der zuvor ausschließlich für die durchgehende Schlitzöffnung vorgesehen war.

KURZZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung ist eine Verbesserung gegenüber dem im US-Patent 4 898 135, worauf hiermit verwiesen sei bzw. welche durch Bezugnahme vorliegend mit umfaßt sein soll, beschriebenen System und Verfahren, und sie sieht einen Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Hubkolben und ein Verfahren zum Impfen einer Beschickung in einer Verbrennungskammer eines solchen Motors mit Radikalen gemäß Anspruch 1 bzw. 27 vor.
Durch das Fortlassen der zusammenhängenden Schlitzöffnung aus US 4 898 135 ist die Wärmeübertragung zwischen dem die Reaktionskammer und den Hauptkörper des Kolbens umgebenden Kronenbereich des Kolbens verbessert, wodurch das Überhitzen der Kolbenkrone vermieden wird und eine bessere Steuerung der Seitenwandtemperatur der Reaktionskammer erzielt wird. Die allgemeine Konfiguration der Reaktionskammer bleibt die gleiche wie im Patent 4 898 135 beschrieben ist, was bedeutet, daß die Kammer torisch ist oder zumindest eine im Querschnitt krummlinig geformte Seitenwand aufweist und daß die diskreten Öffnungen vorzugsweise in tangentialer Richtung zur krummlinigen Seitenwand mit der Reaktionskammer kommunizieren, um innerhalb der Reaktionskammer eine Verwirbelung herbeizuführen. Die wirbelnde Mischung von Luft und Kraftstoff fördert eine wünschenswerte Kaltflammenreaktion innerhalb der Reaktionskammer und eine gute Wärmeübertragung zwischen der wirbelnden Gasmasse und den Seitenwänden der Reaktionskammer. Die Reaktionskammer ist natürlich dicht benachbart zum Kronenbereich des Kolbens angeordnet, so daß sie Temperaturen ausgesetzt ist, die sich der Temperatur des Kronenbereichs des Kolbens nähern.
Im wesentlichen ist die durchgehende Schlitzöffnung bei der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung zugunsten mindestens einer diskreten Öffnung, die dafür vorgesehen ist, in erster Linie das Einlassen des Kraftstoffteils jeder Beschickung in die Reaktionskammer zu steuern, und mindestens einer getrennten diskreten Öffnung, die geometrisch von der ersten diskreten Öffnung getrennt ist und dafür ausgelegt ist, das Einlassen in erster Linie von Luft in die Reaktionskammer zu steuern, fortgelassen.
Demgemäß ist die sich axial erstreckende Seitenwand der Kolbenausnehmung bei der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung ähnlich wie im Patent 4 898 135 beschrieben mit mindestens einer diskreten Öffnung versehen, die vorgesehen ist, um das Einlassen in erster Linie von Kraftstoff in die Reaktionskammer während jedes Verbrennungszyklus zu steuern, und es ist mindestens eine separate, physikalisch getrennte diskrete Öffnung zum Steuern des Einlassens in erster Linie von Luft in die Reaktionskammer vorgesehen. Durch derartiges Konfigurieren der Öffnungen und Einstellen ihres Orts, daß die Fluidzirkulation und die Wärmeübertragungsbedingungen innerhalb der Reaktionskammer optimiert werden, wird das Optimieren der Erzeugung von Kraftstoffradikalen erreicht. Ebenso wird auch das Ausgasen der Radikale in die Hauptverbrennungskammer während eines nachfolgenden Verbrennungszyklus (also während des Einlaßereignisses) in einer besser gesteuerten Weise erreicht, weil der Ort der Öffnungen zum Einspritzen der Radikale in die Hauptverbrennungszone beiträgt.
Es wurde auch entdeckt, daß die Verwendung getrennter diskreter Öffnungen, die das Einlassen der Kraftstoff- und Luftbestandteile der Radikale erzeugenden Beschickung in die Reaktionskammer steuern, einen Vorteil bei Verbrennungskammern bietet, die hohe Verwirbelungsraten der Beschickung in der Hauptverbrennungskammer aufweisen. Weiterhin bietet die Verwendung der getrennten Öffnungen eine bessere Steuerung der Verbrennung innerhalb der bei mittleren und hohen Verbrennungskammerdrücken (BMEP) arbeitenden Verbrennungskammern. Die getrennten Öffnungen ermöglichen auch, daß die Beschickung innerhalb der Reaktionskammer zwischen den Kraftstoff- und den Luftbestandteilen während jedes Verbrennungszyklus in gewissem Maße geschichtet angeordnet wird, um ein zusätzliches Maß an Steuerung des Homogenitätsgrads der Kraftstoff/Luft-Mischung innerhalb der Reaktionskammer und daher der Reaktionsrate des Kraftstoffs innerhalb der Reaktionskammer zu erzielen.
Die Verbesserung gemäß der vorliegenden Erfindung erleichtert dementsprechend einen Verbrennungsprozeß, der bei verdichtungsgezündeten Motoren zu weniger Rauch führt und andere Vorteile bietet, wie beispielsweise eine bessere Steuerung der Wärmeabgaberate eines gegebenen Motors.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische vertikale Schnittansicht des Verbrennungskammerbereichs eines gemäß dem Stand der Technik aufgebauten verdichtungsgezündeten Verbrennungsmotors mit Direkteinspritzung,
Fig. 2 eine Fig. 1 entsprechende Ansicht der gemäß der vorliegenden Erfindung modifizierten Verbrennungskammer,
Fig. 3 eine vergrößerte isometrische Schnittansicht eines Kolbenkronenbereichs entlang einer Linie III-III in Fig. 4,
Fig. 4 eine schematische Draufsicht eines Kolbenkronenbereichs bei einer bevorzugten Ausführungsform von gemäß der Erfindung aufgebauten Reaktionskammern,
Fig. 5 eine alternative Ausführungsform der gemäß der Erfindung aufgebauten Reaktionskammern,
Fig. 6 eine vergrößerte Detailansicht einer alternativen Ausführungsform eines Öffnungsbereichs zwischen dem Ausnehmungsbereich des Kolbens und der diesem zugeordneten Reaktionskammer,
Fig. 7 eine Detailansicht einer weiteren Ausführungsform eines Öffnungsbereichs, der in Kommunikation mit der Reaktionskammer und dem Kolbenkronenbereich steht, die Fig. 8a-8d verschiedene Ausführungsformen von der Reaktionskammer gemäß der vorliegenden Erfindung zugeordneten Öffnungen,
Fig. 9 eine Ausführungsform der Erfindung in einem funkengezündeten Motor,
Fig. 10 eine alternative bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zur Darstellung einer anderen Form einer Kolbenausnehmungs- und Reaktionskammerkonfiguration,
Fig. 11 eine schematische Darstellung einer alternativen bevorzugten Ausführungsform eines Kolbenkronenbereichs mit diskreten Kraftstoff- und Luftöffnungen und einer Kraftstoffauftreffzone,
Fig. 12 eine schematische Darstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einer anderen Anordnung in Kommunikation mit einer Reaktionskammer stehender diskreter Kraftstoff- und Luftöffnungen,
Fig. 13 eine Ansicht eines entlang 13-13 aus Fig. 12 vorgenommenen Schnitts,
Fig. 14 eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 15 eine Ansicht eines entlang einer Linie 15-15 aus Fig. 14 vorgenommenen Schnitts,
Fig. 16 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei die Reaktionskammer kugelförmig ist,
Fig. 17 eine Ansicht eines entlang einer Linie 17-17 aus Fig. 16 vorgenommenen Schnitts,
Fig. 18 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der eine kugelförmige Reaktionskammer verwendet wird, und
Fig. 19 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der eine andere Anordnung von diskreten Kraftstoff- und Luftöffnungen verwendet wird.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 zeigt schematisch eine seitliche Schnittansicht eines verdichtungsgezündeten Verbrennungsmotors (Dieselmotors) 10 mit Direkteinspritzung, der gemäß Grundgedanken aus dem Stand der Technik, insbesondere gemäß dem Patent 4 898 135 aufgebaut ist. Der Motor 10 weist einen Zylinder 12 auf, bei dem sich ein Hubkolben 14, der über eine Pleuelstange 16, welche durch einen Schwingzapfen oder einen Drehbolzen 18 an einer Kolbenstange 14 angebracht ist, mit einer Abtriebskurbelwelle (nicht dargestellt) verbunden ist, nach wohlbekannten Prinzipien zwischen dem oberen und dem unteren Totpunkt (BDC - TDC) hin und her bewegt, so daß zwischen der Oberseite des Kolbens und dem Kopf 20 des Motors eine Verbrennungskammer veränderlichen Volumens bereitgestellt ist. Der Kolben 14 ist in Fig. 1 am oberen Totpunkt dargestellt, und das herkömmliche Einlaßventil 22 und das herkömmliche Auslaßventil 24, die eine Kommunikation zwischen dem Einlaßschlitz 26 und dem Auslaßschlitz 28 und der allgemein mit 30 bezeichneten Verbrennungskammer herstellen, sind zu diesem Zeitpunkt geschlossen. Die Ventile 22, 24 werden typischerweise durch ein herkömmliches System betätigt, das bei der Technologie von Verbrennungsmotoren gewöhnlich für solche Zwecke verwendet wird, so daß das synchronisierte Öffnen und Schließen der Ventile 22, 24 ermöglicht, daß wenigstens Luft durch einen Luftreiniger A und den Einlaßschlitz 26 in die Verbrennungskammer gezogen wird und während des Einlaß- und Verdichtungsabschnitts des Verbrennungszyklus verdichtet wird. Kraftstoff wird durch zeitlich festgelegte Direkteinspritzung durch einen Kraftstoffeinspritzer 32 eingelassen. Es treten dann das Komprimieren, Verbrennen und Expandieren einer Beschickung in der Verbrennungskammer auf, und die Verbrennungsprodukte werden während des Auslaßabschnitts eines Verbrennungszyklus des Motors durch den Auslaßschlitz 28 abgegeben. Wie oben erwähnt wurde, wird Kraftstoff direkt durch eine Kraftstoffeinspritzdüse 32 in die Verbrennungskammer eingespritzt, wobei die Kraftstoffeinspritzdüse 32 unter der Steuerung einer Motorgeschwindigkeitssteuerung (also eines Gaspedals 38) durch ein Steuermodul 40 über ein Einspritzpumpensystem 36 Kraftstoff von einer Zufuhr 34 empfängt, so daß Kraftstoff in einem Sprühmuster in die Verbrennungskammer eingespritzt wird, wenn sich der Kolben 14 während des Verdichtungsabschnitts des Verbrennungszyklus dem oberen Totpunkt nähert. Jedes geeignete Kraftstoffeinspritzsystem könnte gemäß diesem Verbrennungssystem verwendet werden, und es wird angenommen, daß ein Fachmann auf dem Gebiet der Kraftstoffeinspritztechnologie für Verbrennungsmotoren mit geeigneten Systemen und Bauteilen vertraut ist, die synchron mit dem Verbrennungszyklus unter der Steuerung einer "Drossel" oder eines Gaspedals 38, wodurch eine geeignete Zufuhr einer Kraftstoff-/Luftbeschickung in der Nähe des Endes des Verdichtungsabschnitts des Verbrennungszyklus und gewöhnlich fortlaufend über den oberen Totpunkt des Kolbens und während eines Teils des Expansionsereignisses der Verbrennungskammer als ein Nebel in die Verbrennungskammer 30 eingespritzt wird, ein zeitlich festgelegtes Einspritzen von Kraftstoff in die dargestellte Verbrennungskammer des Motors bieten können.
Beim in Fig. 1 dargestellten Verdichtungszündungssystem wird das Verbrennen der Beschickung ausschließlich dadurch eingeleitet, daß die Beschickung Bedingungen erhöhten Drucks und einer erhöhten Temperatur ausgesetzt wird, wodurch das spontane Zünden der Beschickung in einem gewünschten Moment auftritt. Typischerweise wird eine Glühkerze (nicht dargestellt) verwendet, um die Verbrennung während des Anlassens des Motors einzuleiten.
Für eine weitere Erörterung des in Fig. 1 dargestellten Systems kann auf das US-Patent 4 898 135 Bezug genommen werden.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten System aus dem Stand der Technik wird während jedes Verbrennungszyklus ein Teil des Kraftstoffs und der Luft jeder Beschickung über eine durchgehende Schlitzöffnung 46 und wahlweise durch diskrete Öffnungen 48 in eine Reaktionskammer 44 eingelassen, die einen im wesentlichen torischen oder krummlinigen Querschnitt aufweist. Bemerkenswerterweise sind sowohl der durchgehende Schlitz 46 als auch die Öffnungen 48 dafür vorgesehen, Kraftstoff direkt aufzunehmen, und keine Öffnung ist so ausgelegt, daß sie in erster Linie Luft allein aus der Hauptverbrennungskammer aufnimmt. Der Kraftstoff und die Luft in der Reaktionskammer 44 reagieren während jedes Verbrennungszyklus teilweise, wodurch Radikale des Kraftstoffs und Sauerstoff ("Kraftstoffradikale") erzeugt werden, die im nachfolgenden Verbrennungszyklus verwendet werden, um die nächste hereinkommende Beschickung zu impfen und diese dadurch so zu konditionieren, daß während des nächsten Verbrennungszyklus die gewünschten Zünd- und Wärmeabgabecharakteristika erreicht werden. Für eine vollständigere Erörterung der Erzeugung und Handhabung von Kraftstoffradikalen bei der in Fig. 1 dargestellten Verbrennungskammerkonfiguration kann auf das oben erwähnte Patent 4 898 135 Bezug genommen werden.
Die Erörterung der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform aus dem Stand der Technik fortsetzend sei bemerkt, daß der Kolben 14 in seinem Kronenbereich eine Ausnehmung 42 aufweist, die einen erheblichen Teil des Volumens VA der Verbrennungskammer 30 darstellen soll. [Das Volumen VA ist als das gesamte Hohlraumvolumen (VC) in der Verbrennungskammer 30, wenn sich der Kolben 14 bei TDC befindet, minus dem Volumen VB der Reaktionskammer 44 einschließlich der Öffnungsbereiche definiert]. Demgemäß enthält die Ausnehmung mung 42 bei dieser Motorkonfiguration beim Zündpunkt nach Abschluß des Verdichtungsereignisses während jedes Verbrennungszyklus den größten Teil des Kraftstoffanteils jeder Beschickung im Verbrennungskammervolumen VA. Wie im Patent 4 898 135 vollständiger beschrieben ist, kann die Reaktionskammer 44 eine einzige ringförmige Reaktionskammer aufweisen, oder sie kann mehrere Reaktionskammern aufweisen, die um die Peripherie der Ausnehmung 42 in einem Abstand angeordnet sind. Die Ausnehmung 42 ist durch eine sich quer erstreckende Bodenwand 50 und sich axial erstreckende Seitenwände 54 festgelegt. Bei der Ausführungsform aus Fig. 1 sind die Seitenwände 54 in dem Maße unzusammenhängend, als die durchgehende Schlitzöffnung 46 den Schnitt zwischen den Seitenwänden 54 und der Bodenwand 50 unterbricht.
Zur einfachen Herstellung weist die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform einen ringförmigen Kronenblock 53 auf, in dem die Reaktionskammer 44 ausgebildet ist und der die Seitenwände 54 der Ausnehmung 42 und den Kolbenkronenbereich 55 aufweist. Der Block 53 ist durch Schrauben 56 an der Oberseite des Kolbens 14 befestigt, wodurch die Reaktionskammer 44 im Block 53 ausgebildet und der Block 53 dann am unteren Abschnitt 14 des Kolbens montiert werden kann. Natürlich könnte jedes Fachleuten bekannte Herstellungsverfahren verwendet werden, um den Kolben 14 und seine Reaktionskammer 44 herzustellen. Wenn zum Erzeugen einer torisch geformten Reaktionskammer 44 technische Hürden genommen werden müssen, kann die Kammer 44 bei einer praktischeren Anwendung so geformt oder konfiguriert werden, daß sie eine einfachere im Querschnitt krummlinige Seitenwand aufweist, wodurch das bequeme Herstellen oder Formen der Kammer ermöglicht wird, bevor der Block 53 am Oberteil des Kolbens 14 montiert wird.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform aus dem Stand der Technik wurde ein Teil des flüssigen Kraftstoffs aus dem Einspritzer 32 direkt über den durchgehenden Schlitz 46 in die Reaktionskammer 44 und wahlweise durch die diskrete Öffnung 48 eingelassen. Wenngleich diese Ausführungsform die Ziele des Erzeugens von Kraftstoffradikalen erreicht hat, die bei nachfolgenden Verbrennungsereignissen zu verwenden waren, wurde unter manchen Umständen beobachtet, daß die Wärmeübertragung zwischen dem Block 53 und dem Kolben 14 infolge des Vorhandenseins des durchgehenden Schlitzes 46 mangelhaft war und daß der durchgehende Schlitz 46 mit oder ohne eine Öffnung (Öffnungen) 48 Probleme beim getrennten Steuern des Einlassens des Luft- und Kraftstoffgehalts in die Reaktionskammer 44 hervorrief.
Als Ergebnis weiterer Untersuchungen wird angenommen, daß bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bestimmte Nachteile des in Fig. 1 dargestellten Systems aus dem Stand der Technik überwinden. Dementsprechend ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in den Fig. 2 bis 4 dargestellt, wobei gleiche Bezugszahlen zum Identifizieren von Elementen verwendet werden, die in Fig. 1 dargestellten Elementen entsprechen. Gemäß der Erfindung ist die durchgehende Schlitzöffnung 46 vollständig fortgelassen und werden stattdessen nur diskrete Öffnungen verwendet, um eine Kommunikation zwischen der Ausnehmung der Hauptverbrennungskammer 30 und dem Inneren der Reaktionskammer 44 bereitzustellen. Der Begriff "diskrete Öffnung" soll eine Öffnung oder einen Durchlaß mit einer geschlossenen und im wesentlichen symmetrischen oder gleichmäßigen (beispielsweise kreisförmigen, quadratischen usw.) Geometrie von einem durchgehenden oder langgestreckten offenen Schlitz oder Spalt absetzen.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung sind diskrete Öffnungen 58, 60 bereitgestellt, um in erster Linie das Einlassen von Kraftstoff bzw. Luft in die Reaktionskammer 44 getrennt zu steuern. Bei dieser Ausführungsform sind diskrete Öffnungen 58 in der axial verlaufenden Seitenwand 54 der Ausnehmung 42 im Kolben 14 bereitgestellt. Die Öffnung 58 ist so angeordnet, daß das vom Kraftstoffeinspritzer 32 ausgestoßene Sprühmuster direkt auf sie fällt, um in jedem Verbrennungszyklus die direkte Zufuhr von Kraftstoff in die Reaktionskammer 44 zu gewährleisten. Bei dieser Ausführungsform ist eine den Kronenbereich 55 des Kolbens 14 (die obere Fläche des Blocks 53) schneidende getrennte diskrete Öffnung 60 bereitgestellt, um in erster Linie das Einlassen von Luft in die Reaktionskammer 44 zu steuern. Es ist zu sehen, daß die Öffnungen 58 und 60 räumlich voneinander getrennt sind, so daß das Sprühmuster des Kraftstoffs vom Einspritzer 32 nicht auf den Bereich fällt, in dem sich die Luftöffnung 60 befindet. Es ist dementsprechend ersichtlich, daß die Öffnung 58 in erster Linie das Einlassen von Kraftstoff in die Kammer 44 steuert, während die Öffnung 60 in erster Linie das Einlassen von Luft in die Kammer 44 steuert.
Vorzugsweise verlaufen die Öffnungen 58 und 60 kanalförmig von den Außenwänden des Blocks 53 nach innen zur Kammer 44, so daß sie die krummlinige Seitenwand der Kammer 44 tangential oder zumindest in einer Richtung, bei der in der Kammer 44 eine Verwirbelung herbeigeführt wird, schneiden. Die Richtung der Verwirbelung ist derart, daß der Fluidstrom nicht dazu neigt, sich nicht wieder durch die Öffnungen 58, 60 herauszubewegen, sondern vielmehr dazu neigt, in der Kammer 44 eingeschlossen zu bleiben. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, schneiden die Öffnungen 58 und 60 beide die krummlinige Seitenwand der Reaktionskammer 44 vorzugsweise tangential. Es sei jedoch bemerkt, daß es wünschenswert sein kann, die Seitenwand der Reaktionskammer 44 in einer anderen als der tangentialen Richtung zu scheiden, um die gewünschten Strömungsmuster innerhalb der Reaktionskammer 44 zu erhalten.
Reaktionskammern 44 können im Kolbenkronenbereich als getrennte, diskrete Kammern ausgebildet sein, wie in Fig. 4 dargestellt ist, oder sie können die Form einer durchgehenden ringförmigen Kammer annehmen, wie in Fig. 5 dargestellt ist. Die Wahl einer einzigen Kammer oder mehrerer Kammern hängt von der Kolben- und Verbrennungskammerkonfiguration oder Herstellungsüberlegungen ab.
Bei der Ausführungsform aus Fig. 4 gibt ein Pfeil F die Richtung der Wirbelbewegung einer durch ein geeignetes System, beispielsweise ein Einlaßventil oder eine Schlitzkonfiguration, in die Verbrennungskammer 30 eingelassenen Beschickung an. Wenn die Verwirbelung der Beschickung in der Verbrennungskammer 30 herbeigeführt wird, befindet sich die diskrete Öffnung 58, die zum Steuern des Einlassens in erster Linie von Kraftstoff vorgesehen ist, in einer Richtung, die stromaufwärts der Verwirbelungsrichtung F der Beschickung in der Verbrennungskammer und in der Ausnehmung 42 verläuft, zum Ende der jeweiligen Reaktionskammer 44 hin. Die diskrete Öffnung 60 befindet sich andererseits gewöhnlich zum anderen Ende der Reaktionskammer 44 hin oder ist zumindest von der Kraftstoffsteueröffnung 58 getrennt, so daß der vom Kraftstoffeinspritzer 32 ausgestoßene Kraftstoffstrom nicht auf sie fällt. Bei dieser Ausführungsform ist die Luftsteueröffnung 60 im Kronenbereich des Kolbens zum entgegengesetzten Ende der Reaktionskammer 44 hin, an dem sich die Kraftstoffsteueröffnung 58 befindet, bereitgestellt. Es wurde beobachtet, daß der zum stromaufwärts gelegenen Ende der Kammer 44 bezüglich der Verwirbelungsrichtung F in der Kolbenausnehmung hin befindliche Ort der Kraftstoffsteueröffnung 58 wichtig ist, um das Steuern des Einlassens von Kraftstoff in die Reaktionskammer 44 zu erreichen. Es ist sehr wünschenswert, die Öffnung 58 so anzuordnen, daß der Kraftstoff während der meisten Betriebsbedingungen des Motors unabhängig vom Verwirbelungsgrad in der Verbrennungskammer auf die Öffnung fällt. Es ist zum genauen Lokalisieren der Öffnung 58 derart, daß sie zumindest während kritischer Bereiche des Motorbetriebs innerhalb des Sprühmusters des Einspritzers 32 bleibt, einiges Experimentieren erforderlich. Wenngleich der Ort der Luftsteueröffnung 60 von der Kraftstofföffnung 58 getrennt gehalten werden muß, kann der Ort der Luftsteueröffnung 60 für verschiedene Motoren geändert werden und sich sogar an der axialen Seitenwand 54 der Kolbenausnehmung befinden.
Wahlweise kann im Kolbenkronenbereich zum Bereitstellen einer Kommunikation mit einer jeweiligen Reaktionskammer 44 eine zusätzliche diskrete Luftsteueröffnung 60' bereitgestellt werden. Die optionale zusätzliche diskrete Öffnung 60' kann ebenso wie die Öffnung 60 entsprechend experimentellen oder parametrischen Untersuchungen, die für einen gegebenen Motor das Erreichen einer optimalen Radikalenerzeugung und optimaler Betriebsbedingungen in der Reaktionskammer 44 angeben, irgendwo entlang dem Kolbenkronenbereich der Seitenwand 54 angeordnet sein. Die Kombination der Öffnungen 60 und 60' ist daher dafür vorgesehen, für jeden Verbrennungszyklus innerhalb der Reaktionskammer 44 einen optimalen Luftgehalt und optimale Strömungsbedingungen bereitzustellen. In jedem Fall erreicht die Strömung durch die Öffnungen 58, 60 und 60' an irgendeinem Punkt während jedes Verdichtungs- und Expansionsereignisses während jedes Verbrennungszyklus einen gedrosselten Zustand, um Radikale zum Einimpfen bei einem nachfolgenden Verbrennungszyklus zu bewahren.
Es ist gemäß der Erfindung sehr erwünscht, die Bedingungen des Strömens von Fluid in die Reaktionskammer 44 und aus dieser heraus durch geeignetes Formen der Öffnungen 44 an ihrem Schnitt mit dem Kolbenkronenbereich, der Seitenwand 54 der Ausnehmung 42 oder der Seitenwand der Reaktionskammer 44 fein einzustellen. Dementsprechend sind die Öffnungen 58 und 60, wie in den Fig. 6-8d dargestellt ist, an ihren Endbereichen mit Übergangsgebieten versehen, die das Strömen in die Reaktionskammer 44 oder aus dieser heraus begünstigen.
Wie in Fig. 6 dargestellt ist, ist die Öffnung 58 mit einer im wesentlichen konischen oder sich verjüngenden Einlaßzone 62 versehen, die das Strömen von Fluid vom Ausnehmungsbereich 42 zur Reaktionskammer 44 begünstigen würde.
Bei der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform wird das Strömen von Radikalen aus der Reaktionskammer 44 in einer aus der Öffnung 60 im Kolbenkronenbereich herausführenden Richtung infolge der konischen Übergangszone 64 am Ende der Öffnung 60, wo sie die Seitenwände der Reaktionskammer 44 schneidet, begünstigt.
Ebenso zeigen die Fig. 8a-8d verschiedene andere Konfigurationen, die das Strömen von Fluid in Richtung der Pfeile 66 begünstigen. Wenngleich bei den in den Fig. 8a-8d dargestellten Ausführungsformen Öffnungen 58 gezeigt sind, könnten die Öffnungen 60 ebenso konfiguriert werden, um das gleiche Ergebnis hinsichtlich des Begünstigens einer bestimmten Richtung des Strömens von Fluid durch die Öffnung zu erreichen.
Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der der Kraftstoffteil der Beschickung mit Luft angesogen wird und wobei die Beschickung durch einen Funkenzünder gezündet wird. Der in Fig. 9 dargestellte Motor 100 ähnelt im wesentlichen den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Motorkonfigurationen, wobei ein Kolben 114 in einem Zylinder 112 über eine Pleuelstange 116 mit einer Abtriebskurbelwelle verbunden ist, wobei die Pleuelstange 116 an einem Schwingzapfen 118 mit der Abtriebskurbelwelle verbunden ist. Eine Kolbenkrone 153 ist mit einer Reaktionskammer 144 versehen, und die Verbrennungskammer 130 ist zwischen dem oberen Ende des Kolbens 114 und dem Kopf 120 des Motors angeordnet. Einlaß- und Auslaßöffnungen 126, 128 werden durch Einlaß- und Auslaßventile 122, 124 geschlossen, und ein Funkenzünder 141, 143, der mit einer geeigneten Quelle elektrischer Energie verbunden ist, wird zum Zünden einer Beschickung in der Verbrennungskammer 130 verwendet. Die Reaktionskammer oder die Reaktionskammern 144 kommunizieren mit der Ausnehmung 142, wobei eine diskrete Öffnung 158 durch die Seitenwand der Ausnehmung 142 kommuniziert und die diskreten Öffnungen 160 über den Kolbenkronenbereich mit der Verbrennungskammer 130 kommunizieren.
Die Beschickung wird durch ein Gaspedal oder eine andere Motorgeschwindigkeitssteuerung 129 gesteuert stromaufwärts der Einlaßöffnung 126 hergestellt. Kraftstoff wird durch die Kraftstoffzufuhr F über eine Pumpe P und eine Kraftstoffleitung 131 einem Vergaser 127 zugeführt, der mit einem Ansaugluftverteiler 139 verbunden ist, wo der Kraftstoff und die Luft gemischt werden, um eine dem Einlaß 126 zugeführte homogene Beschickung herzustellen. Kraftstoff kann stromaufwärts des Einlasses 126 eingespritzt oder angesogen werden, oder er könnte nach bekannten Prinzipien direkt in den Einlaßschlitzbereich 126 eingespritzt werden.
Falls gewünscht kann jede Beschickung innerhalb der Verbrennungskammer 130 beispielsweise unter Verwendung eines sekundären Luftventils 133, das Luft durch einen Einlaßreiniger 135 und eine Leitung 137 in den Ansaugluftverteiler 139 neben dem Einlaßventil 122 einläßt, axial übereinander geschichtet werden. Dieses sekundäre Luftventil 133 könnte in Form eines einfachen Klappenventils bereitgestellt werden, das Luft unmittelbar stromaufwärts des Einlaßventils 122 zum Ende jedes Einlaßereignisses hin in die Einlaßöffnung 126 einläßt, so daß stromaufwärts des Einlaßventils 122 eine sehr magere Mischung bereitgestellt wird, wenn das Ventil schließt. Nach dem Öffnen des Ventils während des nächsten Einlaßereignisses wird eine sehr magere Mischung in die Verbrennungskammer 130 eingesogen, bevor der mit Kraftstoff angereicherte Teil der Beschickung die Kammer über den Vergaser 127 erreicht. Auf diese Weise kann das axiale Übereinanderschichten der Beschickung innerhalb der Verbrennungskammer 130 erreicht werden, wodurch zum Ende des Verdichtungsereignisses näher am Boden der Verbrennungskammer 130 innerhalb der Ausnehmung 142 eine verhältnismäßig magere Beschickung bereitgestellt wird, während ein verhältnismäßig reicher Teil der Beschickung neben dem Zündpunkt 141 des Funkenzünders 143 vorliegt.
Natürlich empfängt die Öffnung 160 während normaler Einlaß- und Verdichtungsereignisse zu Beginn des Verdichtungshubs in erster Linie Luft, wobei der Kraftstoff die Öffnung spät während des Einlaßereignisses erreicht, falls ein axiales Übereinanderschichten verwendet wird. Die Öffnung 158 könnte so angeordnet sein, daß sie eine reichere Mischung oder in erster Linie nur Luft empfängt. Im Fall einer homogenen Beschickung, bei der kein axiales Übereinanderschichten auftritt, empfangen beide Öffnungen 158 und 160 einen Teil der Luft und des Kraftstoffs jeder Beschickung, wenngleich der Ort der jeweiligen Öffnungen 158, 160 gemäß der vorliegenden Erfindung so eingerichtet ist, daß der Kraftstoffteil jeder Beschickung beispielsweise auf die Öffnungen 158 und nicht auf die Öffnungen 160 fokussiert wird. Wie bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung werden die Abmessungen der Öffnungen 158 und 160 so ausgewählt, daß an irgendeinem Punkt während der Verdichtungs-, Expansions- und Auslaßereignisse des Verbrennungszyklus des Motors gedrosselte Strömungsbedingungen durch die Öffnung auftreten.
Es sei bemerkt, daß die Reaktionskammer 44, 144 bei allen Ausführungsformen ein Volumen VB aufweist, das die Volumina der diskreten Öffnungen 58, 158 und 60, 160 einschließen soll. Es wurde beobachtet, daß die Beziehung zwischen VA (dem gesamten Hohlraumvolumen der Verbrennungskammer) und VB bei bestimmten Motorkonfigurationen wichtig ist. Es wird angenommen, daß die Erfindung bei einem typischen Auto- oder Lastwagenmotor am besten verwirklicht wird, wenn die Beziehung zwischen VA und VB die Formel
VA/VB = 0,01 bis 0,20
erfüllt.
Bei einem Motor, bei dem der Kraftstoffteil der Beschickung während des Einlaßabschnitts des Verbrennungszyklus angesogen wird, werden dann, insbesondere wenn die Beschickung homogen ist, während der Verdichtung Luft und Kraftstoff durch beide Öffnungen 58, 158 und 60, 160 in die Kammer 44, 144 eingelassen. Die Größe und die Orientierung der Öffnungen würden natürlich so eingestellt werden, daß die geeignete gewünschte Mischung von Kraftstoff und Luft in der Reaktionskammer 44, 144 erreicht wird. Weiterhin könnten verschiedene Übereinanderschichtungsschemata verwendet werden, um die Reichheit der angesogenen Beschickung während des Verdichtungsabschnitts des Verbrennungszyklus axial in der Verbrennungskammer zu ändern, so daß die Öffnungen 58, 158 und 60, 160 verwendet werden könnten, um in ähnlicher Weise wie bei einer Verbrennungskammer mit Direkteinspritzung die gewünschte Proportionierung von Kraftstoff und Luft in der Reaktionskammer 44, 144 zu erreichen. Das heißt, daß die Öffnungen 58, 158 so orientiert werden würden, daß das Einlassen größtenteils von Kraftstoff in die Kammer 44, 144 gesteuert wird, und daß die Öffnungen 60, 160 so orientiert werden, daß das Einlassen in erster Linie von Luft in die Kammer 44, 144 gesteuert wird.
Bei allen Ausführungsformen der Erfindung sind die Öffnungen 58, 158 und 60, 160 so konfiguriert, daß eine sich vorbewegende Verbrennungsflammenfront in der Verbrennungskammer 30, 130 wirksam gelöscht wird, bevor sie die Reaktionskammer 44, 144 erreicht.
Für eine Erörterung der während jedes Verbrennungszyklus innerhalb der Öffnungen 58, 158 und 60, 160 erreichten gedrosselte Strömungsbedingung kann auf das Patent 4 898 135 Bezug genommen werden. Jedoch treten gedrosselte Strömungsbedingungen über die Öffnungen entsprechend der klassischen Mechanik kompressibler Fluide auf, wenn das Druckverhältnis über die Öffnungen dem kritischen Verhältnis von etwa 0,53 gleicht oder kleiner ist als dieses. Demgemäß würden während des Verdichtungsabschnitts eines Verbrennungszyklus Gase bei einem zunehmend höheren Druck in der Verbrennungskammer 30, 130, die versuchen, die Reaktionskammer 44, 144 über Öffnungen 58, 158 und 60, 160 zu erreichen, zunehmend schneller durch die Öffnungen strömen, bis bei einem kritischen Druckverhältnis von etwa 0,53 eine gedrosselte Bedingung erreicht wird, wobei zu diesem Zeitpunkt das Druckverhältnis über die Öffnungen ansteigt und die entsprechende Rate der Strömung durch diese nach den Gesetzen der klassischen Fluidmechanik begrenzt ist. Diese Bedingung bleibt bestehen, bis der Druck in der Kammer 44, 144 bis zu dem Punkt angestiegen ist, bei dem das Druckverhältnis über die Öffnungen unter die kritische gedrosselte Bedingung absinkt, woraufhin die Drücke zwischen der Verbrennungskammer 30, 130 und der Reaktionskammer 44, 144 durch die Strömung durch die Öffnungen ausgeglichen werden. Die gedrosselte Strömungsbedingung während eines Teils des Verdichtungsereignisses soll dementsprechend bei im wesentlichen allen normalen Arbeitsgeschwindigkeiten des Motors auftreten, so daß die Druckschwankungen in der Reaktionskammer gegenüber den Druckschwankungen in der Verbrennungskammer verzögert sind. Diese gedrosselte Strömungsbedingung tritt auch während wenigstens eines Teils des Expansionsereignisses (Arbeitshub- oder Verbrennungsereignisses) und des Ausstoßereignisses auf, wobei die oben erwähnte Druckverzögerungsbedingung zwischen der Reaktionskammer und der Verbrennungskammer infolge der Druckdifferenz zwischen den Kammern weiter fortdauert.
Gemäß den im Patent 4 898 135 beschriebenen Grundgedanken verhält sich die Beziehung zwischen dem Ausströmen von Radikalen aus der Reaktionskammer, der Rate der Erzeugung von Radikalen innerhalb der Kammer, der Rate des Einströmens von Radikalen in die Kammer aus der Verbrennungskammer und der Rate der in der Reaktionskammer verbleibenden Radikale nach der folgenden Formel:
ROUT = RGEN. + RIN - RRET. ≥ RCRIT.
wobei
Rom die von der Reaktionskammer in die Kolbenausnehmung abgegebenen Radikale sind, RGEN. die während jedes Verbrennungszyklus in der Reaktionskammer erzeugten Radikale sind; RIN die von der Verbrennungskammer eingeimpften Radikale sind, die während der Verdichtung der eingeimpften Beschickung in die Reaktionskammer zurückgekehrt sind, RRET. die in jedem Verbrennungszyklus in der Reaktionskammer gehaltenen Radikale sind und RCRIT. die minimale Anzahlsdichte Radikaler in der Reaktionskammer ist, die zum beständigen Impfen einer Beschickung in der Verbrennungskammer während jedes Verbrennungszyklus erforderlich ist, um eine vorgewählte Zünd- und Verbrennungscharakteristik der Beschickung für einen gegebenen Motor zu erhalten.
Es sei bemerkt, daß eine Gesamtaufgabe der Erfindung für einen Verdichtungszündmotor darin besteht, die hereinkommende Beschickung so zu impfen, daß in der Verbrennungskammer 30, 130, insbesondere im Ausnehmungsbereich 42, 142 des Kolbens eine wirksame Konzentration oder Anzahlsdichte Radikaler vorhanden ist, so daß das Einleiten des Zündens der Kraftstoffbeschickung unter Einschluß von Kraftstoffen mit niedriger Cetanzahl bei normalen Verdichtungsverhältnissen in einer vorhersehbaren, verläßlichen Weise auftritt. Es wird natürlich angenommen, daß eine geeignete physikalische Umgebung unter Einschluß von Druck- und Temperaturbedingungen zum Einleiten des Zündens in der Verbrennungskammer vorhanden ist, indem ein geeignetes Verdichtungsverhältnis, geeignete Konstruktionsmaterialien und ein geeignetes Kühlsystem ausgewählt werden. Die Vorteile der Erfindung bestehen jedoch darin, daß bei verschiedenen Kraftstoffen unter Einschluß jener mit einem niedrigen Cetanwert durch Radikalenimpfung der Beschickung eine verläßliche, beständige Verdichtungszündung erreicht werden kann.
Die oben angegebene Formel gibt an, daß die Erzeugung von Radikalen und das Impfen der hereinkommenden Beschickung für jeden Verbrennungszyklus dieser Rate gleichen muß oder diese in ausreichendem Maße übersteigen muß, um die Verbrennung in der Hauptverbrennungskammer 30, 130 beständig und zuverlässig einzuleiten und/oder eine klopffreie Verbrennung von Benzinkraftstoffen in einem funkengezündeten Motor zu ermöglichen. Natürlich ändert sich der Absolutbetrag der Radikalenerzeugung in der Kammer 44, 144 für jeden Motor abhängig vom verwendeten Kraftstoff, vom verwendeten Verdichtungsverhältnis, von den verwendeten Betriebsbedingungen und anderen Variablen, die mit dem Betrieb jedes Motors verbunden sind. Es kann jedoch unter Verwendung der hier beschriebenen Prinzipien immer experimentell bestimmt werden, welches die kritische Rate (RCRIT.) der Erzeugung von Radikalen in der Kammer 44, 144 sein muß, um eine angemessene Konditionierung (also ein angemessenes Impfen) der Beschickung in der Verbrennungskammer zu erreichen, um diese beständige und zuverlässige spontane Zündung und diese rauchfreie Verbrennung bei Verdichtungszündmotoren oder diese klopffreie Verbrennung bei funkengezündeten Motoren zu erhalten.
Es ist anhand der Formel ersichtlich, daß die Menge der innerhalb der Kammer 44, 144 erzeugten Radikale zuzüglich der Menge der mit der einer Verdichtung unterzogenen aktuellen Beschickung wieder in die Kammer eingelassenen Radikale minus der Menge der während des aktuellen Verbrennungszyklus in der Kammer 44, 144 verbleibenden Radikale dieser kritischen Menge der Radikale gleichen oder diese übersteigen muß, die für die schließliche Abgabe durch die diskreten Öffnungen 58, 158, 60, 160 in der Kammer 44, 144 verfügbar ist. Die Abgabe geschieht im wesentlichen unter gedrosselten Strömungsbedingungen beginnend mit dem Expansionsabschnitt des Verbrennungszyklus, wenn der Druck in der Verbrennungskammer 30, 130 unter den Druck in der Reaktionskammer 44, 144 absinkt, wobei das kritische Druckverhältnis über die diskreten Öffnungen 58, 158, 60, 160 auftritt. Die Abgabe dauert unter gedrosselten Strömungsbedingungen während des Auslaßereignisses bis zum Beginn des Einlaßabschnitts des Zyklus fort, so daß zwischen den Druckschwankungen innerhalb der Verbrennungskammer 30, 130 und der Reaktionskammer 44, 144 eine zeitliche Verzögerung auftritt. Hierdurch wird gewährleistet, daß das Abgeben von Radikalen aus der Kammer 44, 144 über den Expansions- und Auslaßabschnitt des Verbrennungszyklus und bis in den Einlaßabschnitt des Verbrennungszyklus fortdauert, der die nachfolgende Beschickung betrifft. Hierdurch wird die Zufuhr einer ausreichenden Menge von Radikalen in die Verbrennungskammer 30, 130 erhalten, um die gewünschten Zünd- und Verbrennungscharakteristika der einer Verdichtung unterzogenen Beschickung in einem gegebenen Motor zu erhalten. Wenn die der Verdichtung unterzogene Beschickung den Kraftstoffteil der Beschickung erst spät während des Verdichtungsabschnitts des Zyklus empfängt, beispielsweise wenn der Kraftstoff direkt in die Verbrennungskammer eingespritzt wird, erreicht die Impfung des Luftteils der Beschickung mit Radikalen früh während des Einlaßereignissesdie gewünschten Ergebnisse, weil die gewünschte Radikalenanzahlsdichte zum Zeitpunkt des Einspritzens des Kraftstoffs in der Verbrennungskammer vorhanden sein wird.
Es sei bemerkt, daß infolge einer Vorflamm- oder Kaltflammenreaktion erzeugte Kraftstoffradikale (also "Vorverbrennungsradikale") wichtig sind, um eine hereinkommende Beschickung zu impfen und die gewünschten zuverlässigen Zünd- und Verbrennungscharakteristika zu erhalten, die von der Erfindung angestrebt werden. Das Vorhandensein von verschiedenen Produkten der Oxidationsreaktion von Kraftstoffen nach der Verbrennung, die nach dem Auslaßabschnitt des Verbrennungszyklus übrig bleiben, ist für einen verläßlichen und steuerbaren Zündpunkt beim Konditionieren einer Kraftstoffbeschickung von geringerer Wichtigkeit. Es ist daher gemäß der Erfindung wichtig, daß Vorverbrennungsradikale erzeugt, bewahrt und der Verbrennungskammer nach der erwähnten Formel steuerbar zugeführt werden. Es müssen in jedem Verbrennungszyklus ausreichend Radikale erzeugt und der Verbrennungszone verfügbar gemacht werden, um das Erreichen der gewünschten Zünd- und/oder Verbrennungscharakteristika der Beschickung für einen Motor zu gewährleisten. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die Reaktionskammer 44, 144 neben einer Kolbenausnehmung 42, 142 angeordnet wird und mit der Kolbenausnehmung derart kommuniziert, daß die gedrosselte Strömungsbedingung über die kommunizierenden Öffnungen 58, 158 und 60, 160 auftritt, um eine Menge von Vorverbrennungs-Kraftstoffradikalen über ein Auslaßereignis hinaus zu erhalten und um der Verbrennungszone in einem nachfolgenden Verbrennungszyklus unter gesteuerten Bedingungen eine kritische Menge der bewahrten Radikale zuzufügen.
Es wurde bei jeder praktischen Ausführungsform der Erfindung entdeckt, daß bestimmte Entwurfsparameter wichtig sind, um eine Beziehung zwischen dem Reaktionskammervolumen, dem Verbrennungskammervolumen und der Gesamtöffnungsfläche der diskreten Öffnungen herzustellen. Es wird gegenwärtig insbesondere angenommen, daß die Erfindung am besten erreicht wird, wenn die folgenden Beziehungen auftreten.
I = X/Y 16 bis 26
wobei: X - VC/AP
und: y = VTDC/VCT
und wobei:
I = Entwurfsindex,
VC = individuelles Reaktionskammervolumen,
AP = Gesamtöffnungsfläche aller mit der individuellen Reaktionskammer kommunizierenden diskreten Öffnungen,
VTDC = Gesamtvolumen der Verbrennungskammer am oberen Totpunkt,
VCT = gesamtes Reaktionskammervolumen.
Der oben angegebene Wert für "I" ermöglicht eine Entwurfsberechnung für jeden Motor, um eine anfängliche Gesamtöffnungsfläche für die diskreten Öffnungen 58, 158, 60, 160 jedes gegebenen Kolbens und jeder gegebenen Reaktionskammer in einem gegebenen Motor zu erhalten. Weil zunächst angenommen werden kann, daß alle Öffnungen für jede gegebene Kammer die gleiche Größe aufweisen, wird die Gesamtöffnungsfläche einfach durch die Anzahl der Öffnungen dividiert, die mit jeder Reaktionskammer bereitzustellen sind. Der Wert des Entwurfsindex "I" wurde experimentell durch Messen der Leistungsfähigkeit verschiedener Motorkonfigurationen unter Verwendung einer Vielzahl von Kombinationen von Verbrennungskammern, Öffnungen und Reaktionskammern bestimmt, um zu bestimmen, welche Kombination die beste Motorleistung erzeugt. Es wurde durch viel Experimentieren bestimmt, daß der Entwurfsindex, ein dimensionsfreier Wert, für jeden gegebenen Motor zwischen etwa 16 und 26 liegen sollte. Unter Verwendung dieses Werts von "I" als Anfangspunkt können die Volumina der Reaktionskammer oder der Reaktionskammern zunächst für jeden gegebenen Motor ausgelegt werden und kann die Gesamtöffnungsfläche aller diskreten Öffnungen bestimmt werden. Die Gesamtöffnungsfläche wird dann durch die gewünschte Anzahl diskreter Öffnungen dividiert, die primär für das Steuern des Einlassens von Kraftstoff und für das Steuern des Einlassens von Luft zu verwenden sind. Abhängig von der Größe und der Orientierung der Reaktionskammern könnte zunächst damit begonnen werden, die Gesamtöffnungsfläche zu halbieren und eine Kraftstoffsteueröffnung und eine Luftsteueröffnung bereitzustellen. Typischer können jedoch mehrere Kraftstoffsteueröffnungen und mehrere Luftsteueröffnungen an getrennten Orten entlang der Reaktionskammer bereitgestellt werden. Der Ort der Öffnungen wird fein eingestellt, um für jeden gegebenen Motor den maximalen "Laufqualitätsindex" (RQI) zu gewährleisten. Weiterhin können die Größe und der Ort der diskreten Öffnungen so eingestellt werden, daß die Kurve der Wärmeabgaberate für jeden gegebenen Motor für den Fall kundenspezifisch ausgelegt wird, daß der Motorentwickler spezielle Motorcharakteristika, beispielsweise spezielle Leistungs-, Drehmoment- oder Emissionscharakteristika, erhalten möchte.
Für eine Erörterung von RQI wird auf das am 3. Juni 1986 erteilte US-Patent 4 592 318 Bezug genommen. Wie in diesem Patent beschrieben ist, ist RQI ein dimensionsfreier Wert, der die Beziehung zwischen der indizierten PS-Zahl (IHP) eines Motors, seinem indizierten spezifischen Kraftstoffverbrauch (ISFC), seinen durch den Motorabgasstrom emittierten unverbrannten Kohlenwasserstoffen (UHC) und seinem im Abgasstrom enthaltenen Kohlenmonoxid (CO) darstellt. Gemäß der Formel gilt (wobei K eine Konstante ist):
RQI = (IHP)K/(ISFC)(UHC)(CO
Beim maximalen RQI wird davon ausgegangen, daß ein Motor bei jeder Geschwindigkeit und Last bei seiner maximalen praktischen Wirksamkeit arbeitet, was, wie verständlich sein wird, nicht notwendigerweise die maximale theoretische Wirksamkeit des Motors unter den gleichen Bedingungen ist. Die maximale RQI-Kurve soll ein Ziel zum Einrichten eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses einer Beschickung und eines geeigneten Zündungszeitablaufs während des eigentlichen Motorbetriebs herstellen.
Es ist beim Betrachten von Fig. 4 ersichtlich, daß sich die Öffnungen 58 und 60 jeweils an entgegengesetzten Enden der Reaktionskammer 44 befinden. Es ist bei dieser bevorzugten Ausführungsform möglicherweise wünschenswert, innerhalb der Reaktionskammer 44 unsymmetrische Bedingungen (d. h. ein Chaos) zu erzeugen, um eine bessere Steuerung des Erzeugens von Kraftstoffradikalen und der Abgabe der Radikale in die Hauptverbrennungskammer während eines nachfolgenden Verbrennungszyklus zu erzielen. In jedem gegebenen Motor werden die genauen Orte der Öffnungen 58, 158 und 60, 160 jedoch durch die bestimmte Motorverbrennungskammer, die Motorbetriebsbedingungen, den Typ des Verbrennungszyklus, der innerhalb des Motors auftritt, und möglicherweise andere Faktoren vorgeschrieben. Bei einem Motor mit Kraftstoffeinspritzung wird insbesondere dann, wenn beim Verbrennungszyklus eine Verdichtungszündung verwendet wird, das Einlassen von Kraftstoff in die Kammer 44 beispielsweise in erster Linie durch die Öffnung 58 gesteuert, und Luft wird in erster Linie durch die Öffnung 60 gesteuert. Dieser Abstand der Öffnungen 58, 60 bietet einen Steuergrad der Mischung aus Kraftstoff und Luft und der innerhalb der Reaktionskammer auftretenden Kaltflammenreaktionen. Weiterhin ermöglicht die Verwendung in einem Abstand angeordneter Öffnungen eine bessere Steuerung der Wirbelbewegung innerhalb der Kammer 44, um die Wärmeübertragung zwischen der Mischung in der Kammer 44 und dem Kolbenkronenmaterial besser zu steuern.
Es wird angenommen, daß die Reaktionskammer 44, 144 infolge der kurzen Verweilzeit der Reaktionspartner im Hohlraum als eine chemische Uhr (ein chemisches Pendel) oder ein chemischer Oszillator angesehen werden kann. Die Reaktionszeit dieses chemischen Oszillators kann durch heterogene (oberflächenaktivierte) Katalyse und Autokatalyse (Katalyse einer chemischen Reaktion durch eines der Reaktionsprodukte) geändert werden. Dementsprechend kann zusätzlich zur internen Flußsteuerung (von gleichmäßig bis chaotisch) innerhalb der Kammer, die unter Verwendung getrennter Kraftstoffeinlaßsteuer- und Lufteinlaßsteueröffnungen, die in einem Abstand zueinander angeordnet sind, und unter Verwendung einer tangentialen Wirbelströmung in der Kammer erreicht wird, eine weitere Steuerung der Reaktionsrate innerhalb der Kammer auch durch Oberflächenkatalyse unter Verwendung geeigneter katalytischer Materialien oder Beschichtungen 68 innerhalb der Kammer 44 und auch durch Vertrauen auf eine Autokatalyse innerhalb der Kammer bewirkt werden.
Gemäß der Erfindung aufgebaute Verbrennungskammern und Reaktionskammern bieten eine verbesserte Steuerung der Wärmeabgaberate bei Motoren, insbesondere Dieselmotoren (bei verdichtungsgezündeten Motoren mit Direkteinspritzung). Im wesentlichen kann die Motorleistung durch Ratenformung der Wärmeabgabekurve optimiert werden, um den besten Kompromiß zwischen den Emissionen (einschließlich Rauch) und dem Kraftstoffverbrauch für eine gegebene Ausgangsleistung zu erzielen. Die vorliegende Erfindung bietet ein in sich abgeschlossenes Steuersystem zum Einstellen der Wärmeabgaberate, ohne daß es erforderlich wäre, auf kostspielige elektronische Kraftstoffeinspritz-Steuersysteme zurückzugreifen.
Es sei auch bemerkt, daß der der Reaktionskammer 44 zugeordnete Kronenbereich des Kolbens 14 aus verschiedenen Materialien aufgebaut sein kann, um die Wärmeübertragung zwischen der Verbrennungskammer 30 und der Reaktionskammer 44 zu verbessern oder zu steuern. Demgemäß kann unter verschiedenen Materialien, wie Aluminium, Niresist (35% Gußeisen mit einem hohen Nickelanteil), Verbundmaterialien, Keramiken, Karbiden, Zeoliten und dergleichen, ausgewählt werden. Die Auswahl der Materialien hängt natürlich von den Temperatur- und Druckbedingungen innerhalb der Verbrennungskammer 30, der Motorbelastung, den Motorgeschwindigkeiten, der Motorkühlung und anderen typischen Motorbetriebsbedingungen und -konfigurationen ab.
In Fig. 10 ist eine alternative bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wobei ein Kolben 200 mit einer Ausnehmung 242 versehen ist, die radial auswärts gerichtet geneigt ist, so daß ein Taschenbereich zum Aufnehmen von Kraftstoff bereitgestellt ist, der vom Kraftstoffeinspritzer 232 ausgestoßen wird. Gemäß dieser Ausführungsform ist eine Reaktionskammer 244 mit einer krummlinigen oberen Wand 245 im Kronenbereich des Kolbens 200 bereitgestellt, wobei die Kammer in einem Block 253 ausgebildet ist, der am oberen Abschnitt des Kolbens 200 angebracht ist. Natürlich könnte die Kammer 244 im Kolben 200 unter der Voraussetzung, daß eine geeignete Herstellungstechnik zum Erzeugen der Reaktionskammer 244 verwendet wird, integriert ausgebildet werden, wobei der Kolben 200 und der Block 253 zu einem einzigen Element integriert wären. Ein geeignetes Fachleuten bekanntes Herstellungsverfahren könnte verwendet werden, um die Reaktionskammer 244 einschließlich ihrer krummlinigen Seitenwand 245 herzustellen. Bei dieser Ausführungsform wird eine einzige diskrete Öffnung 258 verwendet, um in erster Linie das Einlassen von Kraftstoff in die Reaktionskammer 244 zu steuern. Zum Erreichen dieses Ergebnisses befindet sich die diskrete Öffnung 258 in der Mitte des Sprühmusters des vom Einspritzer 232 emittierten Kraftstoffs, oder sie kann leicht außerhalb der Mitte liegen, um die Wirbelbewegung in der mit dem Pfeil F angegebenen Richtung zu berücksichtigen. Eine separate, geometrisch getrennte diskrete Öffnung 260 wird in der Seitenwand 254 der Ausnehmung 242 verwendet, um in erster Linie das Einlassen von Luft in die Reaktionskammer 244 zu steuern. Bei dieser Ausführungsform ist die Öffnung 260 zum Steuern des Einlassens von Luft in die Reaktionskammer in Umfangsrichtung von der Öffnung 258 getrennt und kann sich bezüglich der Reaktionskammer 244 an einem höheren oder niedrigeren Punkt befinden, um die gewünschte Zirkulation von Fluid in der Reaktionskammer 244 zu erreichen.
In Fig. 11 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Anordnung diskreter Öffnungen dargestellt, die zum Steuern des Einlassens von Luft und Kraftstoff in eine Reaktionskammer 344 verwendet wird. Es ist ersichtlich, daß der Kraftstoffauftreffbereich A durch eine Reihe konzentrischer Kreise dargestellt ist, die in der Praxis am Seitenwandbereich der Ausnehmung eines Kolbens 300 auftreten. Die diskrete Öffnung 358 befindet sich in der mittleren Zone des Auftreffbereichs S, so daß sie Kraftstoff empfängt, der von einem Kraftstoffeinspritzer (nicht dargestellt) in die Verbrennungskammer oberhalb des Kolbens 300 eingesprüht wird. In Fig. 11 ist der mittlere Bereich eines Kolbens 300 in nach außen verlaufender radialer Richtung dargestellt, so daß das Innere der axialen Wand 354 betrachtet wird, das eine zentrale Ausnehmung im Kolben 300 bildet. Die Richtung der Wirbelbewegung innerhalb der Kolbenausnehmung ist durch den Pfeil F angegeben. Um zu gewährleisten, daß die Reaktionskammer 344 selbst bei hohen Verwirbelungsraten, die bei höheren Motorgeschwindigkeiten auftreten, immer Kraftstoff empfängt, ist zum Außenbereich des Kraftstoffsprühmusters S auf der stromabwärts gelegenen Seite des Kraftstoffsprühmusters bezüglich der Verwirbelungsrichtung F hin eine sekundäre diskrete Kraftstoffsteueröffnung 358' bereitgestellt, so daß die Wirbelbewegung dazu neigt, Kraftstoff zur sekundären Kraftstofföffnung 358' hin zu drängen. Es ist auch ersichtlich, daß sich wie bei bereits beschriebenen anderen Ausführungsformen der Erfindung die primäre Kraftstoffsteueröffnung 358 und die sekundäre Kraftstoffsteueröffnung 358' bezüglich der Wirbelströmungsrichtung F am stromaufwärts gelegenen Ende der Kammer 344 befinden. Andererseits befinden sich die Luftsteueröffnungen 360 und 360' bezüglich der Wirbelströmungsrichtung F am stromabwärts gelegenen Ende der Reaktionskammer 344. Die Luftsteueröffnungen befinden sich auch außerhalb des Sprühmusters 5 des auf die Seitenwand 354 fallenden Kraftstoffs, so daß das Einlassen von Kraftstoff und Luft in erster Linie durch den Ort und die Größen der Kraftstoffsteueröffnungen 358, 358' und der Luftsteueröffnungen 360, 360' gesteuert werden kann. Wenngleich bei dieser Ausführungsform nur vier Öffnungen dargestellt sind, sei bemerkt, daß jede beliebige Anzahl diskreter Kraftstoff- und Luftsteueröffnungen gemäß der oben angegebenen Formel für den Entwurfsindex "I" verwendet werden könnte. Die optimale Größe und die optimalen Orte der Öffnungen bezüglich der Wirbelströmungsrichtung F und bezüglich der Geometrie und des Orts der Reaktionskammer 344 werden durch Experimentieren bestimmt.
Es sei auch bemerkt, daß eine Reaktionskammer 344 eine den Ausnehmungsbereich im Kolben 300 umgebende einzelne ringförmige Kammer sein könnte, wenngleich sich die Kammer 344 wie dargestellt nur teilweise um den Umfang 300 erstreckt. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung würden die gleichen Grundgedanken hinsichtlich der Anordnung von Kraftstoff- und Luftöffnungen bezüglich des Kraftstoff- Sprühmusters gelten.
Wie in den Fig. 12 und 13 dargestellt ist, befindet sich eine weitere Ausführungsform der Erfindung in einem Kolben 400 mit einer Reaktionskammer 402, die über eine Kraftstoffsteueröffnung 406 und Luftsteueröffnungen 408, 410 mit dem Kolbenausnehmungsbereich 404 kommuniziert. Es wurde entdeckt, daß es vorteilhaft ist, die Luftsteueröffnungen so anzuordnen, daß sie in einer imaginären Ebene liegen, die sich senkrecht und radial zur imaginären Längsmittellinie der Symmetrie des Kolbens 400 erstreckt. Wenngleich zwei Luftsteueröffnungen 408, 410 dargestellt sind, ist es bei manchen Anwendungen möglich, die zweite Öffnung 408 zugunsten einer Öffnung 410 fortzulassen, die sich etwas weiter von der Kraftstofföffnung 406 entfernt befindet als die Öffnung 408. Falls mehrere Luftsteueröffnungen 408, 410 usw. verwendet werden, ist es möglicherweise vorzuziehen, sie entlang einer Reihe anzuordnen, die sich entlang einer imaginären Linie erstreckt, welche diagonal durch die Reaktionskammer 402 verläuft (eine solche imaginäre Linie ist bei Y-Y dargestellt).
Es wurde herausgefunden, daß es bei manchen Anwendungen vorteilhaft ist, Luftsteueröffnungen 408, 410 zu den entgegengesetzten Enden der Reaktionskammer 402 hin sowie vertikal in einer parallel zur Kolbenmittellinie verlaufenden Richtung getrennt anzuordnen, wie in den Fig. 11 und 12 dargestellt ist, um in gewissem Maße chaotische, turbulente Bedingungen innerhalb der Reaktionskammer 402 zu erzeugen, um eine bessere Wärmeübertragung des Kraftstoffs in der Kammer 402 zu fördern und den hereinkommenden flüssigen Kraftstoff und Luft in der Kammer 402 zu mischen. Andererseits gelten die verschiedenen oben erörterten Entwurfsparameter und Überlegungen in gleichem Maße für die in den Fig. 12 und 13 dargestellte Ausführungsform der Erfindung.
In den Fig. 14 und 15 ist eine alternative Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wobei ein Kolben 500 mit einer Reaktionskammer 502 versehen ist, die mit einer Ausnehmung 504 über eine Kraftstoffsteueröffnung 506 und Luftsteueröffnungen 508, 510 kommuniziert. Bei manchen Anwendungen ist abhängig von experimentellen Ergebnissen für eine gegebene Motor- und Verbrennungskammerkonstruktion eine einzige Luftsteueröffnung bevorzugt.
Ähnlich wie bei den in den Fig. 12 und 13 dargestellten Ausführungsformen befinden sich die Luftsteueröffnungen 508, 510 in einer imaginären Ebene, die senkrecht und quer zur Längsmitteillinie des Kolbens 500 verläuft. Das heißt, daß sie nicht unter einem ähnlichen Winkel verlaufen wie die Kraftstofföffnung 504. Bei dieser Ausführungsform kann die Reaktionskammer 502 unter Verwendung eines Einsatzes 512 gebildet werden, der in geeigneter Weise an eine sich in Längsrichtung erstreckende Umfangswand 514 des Kolbens 500 angeschweißt oder daran befestigt ist.
Es sei bemerkt, daß bei allen Ausführungsformen die Länge L der Luftsteueröffnungen besonders kritisch sein kann, um bei bestimmten Motoranwendungen den geeigneten Zeitablauf des Ausströmens von Radikalen aus der Reaktionskammer 502 in die Verbrennungszone in der Ausnehmung 504 zu erreichen. Natürlich müssen die Abmessungen der Luftsteueröffnungen immer so berechnet werden, daß für jede Ausführungsform der Erfindung das Löschen der Verbrennungsflammenfront von der Verbrennungszone zur Reaktionskammer hin erreicht wird. Weiterhin kann die Länge L bei manchen Anwendungen so eingestellt werden, daß der Zeitablauf des Austretens von Radikalen aus der Reaktionskammer 502 geregelt wird, um das Impfen einer nächsten hereinkommenden Beschickung in die Verbrennungskammer eines Motors zu erreichen, der den gemäß der Erfindung aufgebauten Kolben aufweist.
In den Fig. 16 und 17 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der die Reaktionskammer 602 im wesentlichen kugelförmig und nicht länglich ist. Tatsächlich wird verständlich sein, daß die kugelförmige Ausführungsform der Erfindung im Vergleich zu der länglichen oder torischen Form, die beispielsweise in der Ausführungsform aus Fig. 2 gezeigt ist, lediglich eine kleine Reaktionskammer darstellt. Es wurde bei manchen Anwendungen beobachtet, daß mehrere Reaktionskammern mit einem minimalen Volumen besser funktionieren als größere Reaktionskammern. Weiterhin gestattet es die Reaktionskammer mit einem kleineren Volumen, eine gegebene Anzahl isolierter Reaktionskammern zu verwenden, die an verschiedenen Orten am oberen Bereich eines Kolbens angeordnet sind. Wenngleich beispielsweise in Fig. 16 nur vier symmetrisch angeordnete Reaktionskammern 602 dargestellt sind, sei bemerkt, daß jede beliebige gewünschte Anzahl von Reaktionskammern an verschiedenen Orten entlang der zentralen Ausnehmung 604 angeordnet sein könnte und daß die zentrale Ausnehmung 604 selbst außerhalb des Zentrums der Längsmittellinie des Kolbens 600 angeordnet sein könnte.
In Fig. 18 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der ein Kolben 700 mit einer zentralen Ausnehmung 704 über Kraftstoffsteueröffnungen 706, die die Ausnehmung 704 an dicht benachbarten oder gemeinsame Enden aufweisenden Orten schneiden, mit kugelförmigen Reaktionskammern 702 kommuniziert. Die Luftsteueröffnungen 708 sind in Umfangsrichtung in einem Abstand vom Ausgangsende der Kraftstoffsteueröffnungen 706 angeordnet, um das Auftreffen von Kraftstoff in der Umgebung der Luftsteueröffnung zu vermeiden.
Es ist ersichtlich, daß gemäß der Ausführungsform aus Fig. 18 die Richtung der Verwirbelung von Gasen in der Ausnehmung 704 das Auftreffen des Kraftstoffnebels mit bzw. bezüglich den Kraftstoffsteueröffnungen 706 nicht beeinflußt, weil die Wirbelströmung das Auftreffen mit mindestens einem Satz von Kraftstoffsteueröffnungen und einem Satz von Reaktionskammern fördert.
Bei der Ausführungsform aus Fig. 19 ist ein Kolben 800 mit mehreren Reaktionskammern 802 mittlerer Größe versehen, die über Kraftstoffsteueröffnungen 806 und Luftsteueröffnungen 808 mit dem Ausnehmungsbereich 804 kommunizieren. Bei dieser Ausführungsform beeinflußt die Wirbelrichtung im Ausnehmungsbereich 804 die Leistungsfähigkeit des Systems nicht nachteilig, weil das Auftreffen des Kraftstoffs bezüglich mindestens einer Kraftstoffsteueröffnung 806, die einer Reaktionskammer 802 zugeordnet ist, immer gewährleistet ist. Falls die Kraftstoffsteueröffnungen 806 weiterhin dichter beieinander angeordnet sind, wie es bei der in Fig. 18 dargestellten Ausführungsform der Fall ist, können sie beide flüssigen Kraftstoff von einem einzigen Strahlsprühmuster des Kraftstoffs empfangen.
Die vorhergehende Beschreibung soll bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung veranschaulichen und die Erfindung in keiner Weise anders als in den anliegenden Ansprüchen ausgedrückt ist einschränken.

Claims

1. Kolben (14, 114, 200, 400, 500) für eine Hubkolben- Verbrennungsmaschine, bei welcher ein Verbrennungszyklus in einer Brennkammer (30, 130) mit variablem Volumen durchgeführt wird, welche durch den sich in einem Zylinder (12, 112) mit geschlossenem Ende hin und her bewegenden Kolben definiert ist, wobei dem Zylinder eine Kraftstoff- und Luftbeschickung periodisch zugeführt wird, wobei der Zyklus Einlaß-, Verdichtungs-, Verbrennungs-, Expansions- und Auslaßabschnitte umfaßt;

wobei die Kolbenkrone bzw. der Kolbenaufsatz (5, 153) eine Ausnehmung (42, 142, 404, 504) aufweist, welche den Großteil der Beschickung enthält, wenn die Brennkammer ein minimales Volumen aufweist;

wobei der Kolben wenigstens eine Reaktionskammer (44, 144, 244, 402, 502, 602, 702, 802) aufweist, welche im Querschnitt eine krummlinige Seitenwand aufweist, welche in dem Kolbenkronenbereich vorgesehen ist, der zu der Peripherie der Ausnehmung benachbart ist; und

wobei der Kolben Öffnungsmittel aufweist, welche eine Kommunikation zwischen der Ausnehmung und der Reaktionskammer schaffen, wobei die Reaktionskammer und die Öffnungsmittel derartig geformt und dimensioniert sind, daß während des Verdichtungsabschnitts jedes Verbrennungszyklus ein Teil der Beschickung durch die Öffnungsmittel in die Reaktionskammer eingelassen wird, wobei der Strom eines gasförmigen Anteils der Beschickung während wenigstens eines Teils des Verdichtungsereignisses gedrosselt wird, das in die Reaktionskammer eingelassene Fluid radial unter Wirbelbildung in engen Kontakt mit den Seitenwänden der Reaktionskammer verwirbelt wird, um eine Wärmeübertragung auf die eingelassene Beschickung und ihre partielle Oxidationsreaktion zur Erzeugung von Kraftstoffradikalen zu verursachen, wobei eine Flammenfront, die sich der Reaktionskammer von der Brennkammer her nähert, gelöscht wird, ein nach außen gerichteter Strom eines komprimierbaren Gases mit Radikalen von der Reaktionskammer in die Brennkammer während jedes Verbrennungszyklus durch eine oder mehrere der Öffnungen wenigstens während eines Teils der Ausdehnungs- und Abgabeabschnitte jedes Verbrennungszyklus gelöscht wird, und Radikale des Kraftstoffs erzeugt und vorübergehend in der Reaktionskammer während der Verbrennungs-, Expansions- und Auslaßabschnitte eines Verbrennungszyklus in der Reaktionskammer erzeugt und vorübergehend zurückgehalten werden, und in die Kolbenausnehmung abgegeben werden nach Beendigung des Auslaßabschnitts wenigstens vor dem Verdichtungsabschnitt des nachfolgenden Verbrennungszyklus in ausreichender Menge, um die nachfolgende Beschickung in die Brennkammer bezüglich vorausgewählter Zündungs- und Verbrennungscharakteristika zu konditionieren,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Öffnungsmittel eine Anordnung diskreter Öffnungen (58, 60, 60'; 158, 160; 258, 260; 358, 358', 360, 360'; 406, 408; 506, 508, 510; 706, 708) aufweisen, welche die einzige Kommunikation zwischen der Ausnehmung und der Reaktionskammer zur Verfügung stellt, und

daß wenigstens eine der Öffnungen in der Anordnung eine Kraftstoffsteuer- bzw. -regelöffnung ist, die derart positioniert und angeordnet ist, daß sie den Einlaß primär von Kraftstoff in die Reaktionskammer während jedes Verbrennungszyklus steuert bzw. regelt.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung mittels einer im wesentlichen axial sich erstreckenden Seitenwand oder Seitenwänden (54, 354) begrenzt ist, und daß die Anordnung wenigstens eine diskrete Öffnung (58, 158, 258, 260, 358, 358', 360, 360', 406, 408, 410, 506, 510, 706, 708) aufweist, welche in Kommunikation mit einem Abschnitt der Seitenwände ist.

3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Öffnungen (60, 60') der Anordnung in Kommunikation mit der Kolbenkrone außerhalb der Ausnehmung ist.

4. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung wenigstens eine diskrete Luftsteuer- bzw. Regelöffnung (60, 60', 160, 260,360, 408, 508, 708) aufweist, welche derart positioniert und angeordnet ist, daß sie die Aufnahme primär von Luft in die Reaktionskammer während jedes Verbrennungszyklus steuert bzw. regelt, wobei die jeweiligen Kraftstoff- und Luftsteueröffnungen die Reaktionskammer an unterschiedlichen Positionen schneiden.

5. Kolben nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Mittel zum Leiten bzw. Richten eines Teils des Kraftstoffs jeder Beschickung in Richtung der wenigstens einen Kraftstoffsteuervorrichtung, wobei die Mittel einen Kraftstoffeinspritzer (32, 232) aufweisen, welche zum direkten Einspritzen von flüssigem Kraftstoff in die Kolbenausnehmung in Richtung der Kraftstoffsteueröffnung angeordnet ist.

6. Kolben nach Anspruch 5, ferner gekennzeichnet durch einen der Kraftstoffsteueröffnung zugeordneten Kanal, der eine Kommunikation zwischen der Kraftstoffsteueröffnung und der Reaktionskammer zur Verfügung stellt, wobei die Orientierung des Kanals im wesentlichen dem Auftreffwinkel des Kraftstoffs aus dem Kraftstoffeinspritzer in Richtung auf der Kraftstoffsteueröffnung entspricht.

7. Kolben nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoff- und Luftsteueröffnungen beabstandet über den Umfang der Kolbenausnehmung angeordnet sind, und ferner gekennzeichnet durch Mittel zum Verwirbeln jeder eintretenden Beschickung in einen im wesentlichen kreisförmigen Weg in der Kolbenausnehmung während jedes Verbrennungszyklus, wobei die Kraftstoffsteueröffnung stromaufwärts der Verwirbelungsrichtung relativ zu der Luftsteueröffnung angeordnet ist.

8. Kolben nach einem der Ansprüche 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung durch im wesentlichen sich axial erstreckende Seitenwände (54, 354) begrenzt ist, und daß die Kraftstoffsteueröffnung derart angeordnet ist, daß sie eine Kommunikation zwischen der Reaktionskammer und einem Abschnitt der sich im wesentlichen axial erstreckenden Seitenwände zur Verfügung stellt.

9. Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zur Ausführung einer Erzeugung der Radikale in der Reaktionskammer während jedes Verbrennungszyklus entsprechend der Formel:

ROUT = RGEN + RIN + RRET ≥ RCRIT

wobei

ROUT = aus der Reaktionskammer in die Kolbenausnehmung ausgegebene Radikale,

RGEN = während jedes Verbrennungszyklus in der Reaktionskammer erzeugte Radikale;

RIN = eingeimpfte bzw. geimpfte Radikale aus der Brennkammer, die während der Verdichtung der eingeimpften Beschickung in die Reaktionskammer zurückgeführt werden;

RRET = in der Reaktionskammer bei jedem Verbrennungszyklus zurückgehaltene Radikale;

RCRIT = die minimale Menge der Radikale in der Reaktionskammer, die zur kontinuierlichen Einimpfung bzw. Impfung einer Beschickung in die Brennkammer bei jedem Verbrennungszyklus notwendig ist, um gewünschte vorwählbare Zündungs- und Verbrennungscharakteristika der Beschickung zu erhalten.

10. Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen dem gesamten Reaktionskammervolumen (VB) und dem Verbrennungskammervolumen (VA) der Formel

VB/VA = 0,01 bis 0,20

entspricht, wobei

VA = dem gesamten Brennkammertotraum bei dem Kolben TDC, vermindert um VB, ist.

11. Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein katalytisches Material (68), das in der Reaktionskammer angeordnet ist, wobei das katalytische Material die Erzeugung von Radikalen des Kraftstoffs fördert.

12. Kolben nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das katalytische Material (68) auf den Reaktionskammerwandflächen beschichtet ausgebildet ist.

13. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung eine sekundäre Kraftstoffsteueröffnung (358') aufweist, die in der Nähe der Kraftstoffsteueröffnung angeordnet ist, und daß die Mittel zum Richten eines Teils des Kraftstoffs jeder Beschickung in Richtung der Kraftstoffsteueröffnung auch einen Anteil des Kraftstoffs jeder Beschickung in Richtung der sekundären Kraftstoffsteueröffnung wenigstens während bestimmter vorbestimmter Motorbetriebsbedingungen richten.

14. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung wenigstens eine sekundäre Luftsteueröffnung (360') aufweist, die so angeordnet ist, daß sie primär Luft während jedes Verbrennungszyklus empfängt.

15. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben einen Kronenbereich (55, 153') aufweist, wobei die Luftsteueröffnung den Kolbenkronenbereich schneidet.

16. Kolben nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben um eine longitudinale Mittellinie symmetrisch ausgebildet ist, und daß die Luftsteueröffnung (260, 360, 360', 408, 410, 508, 510, 708) sich in einer imaginären Ebene erstreckt, die sich senkrecht zu und radial bezüglich der longitudinalen Mittellinie des Kolbens erstreckt.

17. Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Reaktionskammer im wesentlichen sphärisch ausgebildet ist.

18. Kolben nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine Anzahl sphärischer Reaktionskammern (702), wobei die Kraftstoffsteueröffnungen (706) benachbarter Reaktionskammern die Kolbenausnehmung nahe beieinander schneiden.

19. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Reaktionskammer (402, 502, 802) umfänglich bzw. in Umfangsrichtung länglich ausgebildet ist, wobei die Kraftstoff- und Luftöffnungen (408, 480, 508, 510) die Reaktionskammer an umfänglich beabstandeten Orten schneiden.

20. Kolben nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Anzahl von Reaktionskammern (702, 802), die umfänglich um den Kolbenkronenbereich beabstandet angeordnet sind, wobei die Kraftstoffsteueröffnungen (706, 806) benachbarter Reaktionskammern zu beiden Seiten der Kraftstoffsteueröffnungen angeordnet sind.

21. Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Reaktionskammer (402, 502, 802) umfänglich länglich ausgebildet ist, und die Kraftstoff- und Luftsteueröffnungen (258, 260, 358, 360, 406, 408, 506, 806, 808) in richtung entgegengesetzter Enden der Reaktionskammer angeordnet sind.

22. Kolben nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch wenigstens zwei Luftsteueröffnungen (408, 410, 508, 510), welche umfänglich voneinander beabstandet sind.

23. Kolben nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei der Luftsteueröffnungen (408, 410, 508, 510) relativ zu der Kolbenlängsachse auch longidutinal beabstandet sind.

24. Kolben nach Anspruch 22, bei welchem wenigstens einige der Kraftstoff- und Luftsteueröffnungen (358, 360', 406, 410, 506, 510) relativ zu der Kolbenlängsachse longitudinal beabstandet sind.

25. Verfahren zur Radikalen-Einimpfung einer Beschickung in einer Luft atmenden Brennkammer einer Hubkolben- Verbrennungsmaschine mit einem Kolben (14, 114, 200, 400, 500) mit einem Ausnehmungsbereich (42, 142, 404, 504) in seinem Kronenbereich (52, 153), welcher den Großteil des Brennkammervolumens bei minimalen Volumenbedingungen definiert, und einem Kraftstoffzufuhrsystem (36, 127), welches zur Zufuhr von Kraftstoff in die Brennkammer zur Durchführung eines Verbrennungszyklus mit Einlaß-, Verdichtungs-, Verbrennungs-, Expansions- und Auslaßabschnitten, angeordnet ist, mit folgenden Schritten:

Bereitstellung einer Reaktionskammer (44, 144, 244, 402, 502, 602, 702, 802) mit einer im Querschnitt krummlinigen Kammerseitenwand in dem Kolbenkronenbereich benachbart zu der Peripherie der Ausnehmung und sich wenigstens einen Teil um die äußere Peripherie des Ausnehmungsbereiches herum erstreckend;

Bereitstellen von Öffnungsmitteln für die Reaktionskammer, welche die krummliniege Kammerseitenwand tangential schneiden, so daß ein radialer verwirbelter Strom in der Reaktionskammer induziert wird, wenn ein Fluidstrom in der Reaktionskammer von dem Ausnehmungsbereich durch die Öffnungsmittel während jedes Verdichtungshubes des Kolbens induziert wird;

Wahl der Öffnungsdimensionierungen, Konfigurationen und Anordnungen so, daß Verbrennungsflammen aus der Verbrennungskammer durch die Öffnungsmittel gelöscht werden, bevor sie sich in die Reaktionskammer erstrecken bzw. ausdehnen können, und derart, daß Einfluß und Ausfluß von komprimierbaren Gasen zu und von der Reaktionskammer von und zu dem Ausnehmungsbereich gedrosselt werden aufgrund von differentiellen Druckbedingungen, die über die Öffnungsmittel während eines Teils der Expansions-, Abgabe-, und Verdichtungsabschnitte jedes Verbrennungszyklus herrschen, so daß Druckfluktuationen in der Reaktionskammer stets hinter den Druckfluktuationen in der Brennkammer nachhängen, und so daß die in der Reaktionskammer während eines Verbrennungszyklus erzeugten Radikale teilweise in der Reaktionskammer während der Verbrennungs-, der Expansions- und der Abgabeabschnitte des Verbrennungszyklus zurückgehalten werden, und teilweise in den Ausnehmungsbereich in der Nähe des Beginns des Verdichtungsabschnitts des nachfolgenden Verbrennungszyklus abgegeben werden;

Ausführen jedes Verbrennungszyklus durch Richten wenigstens eines Teils der Kraftstoffbeschickung für jeden Zyklus in die Reaktionskammer und teilweises Reagieren der Beschickung in der Reaktionskammer zum Erzeugen von Kraftstoff- Radikalen, während die Mischung in engem Kontakt mit den Kammerseitenwänden verwirbelt wird, und durch Abgabe eines Teils der in der Reaktionskammer erzeugten Radikale in die Ausnehmung durch die Öffnungsmittel unter den in dem vorstehenden Schritt beschriebenen gedrosselten Ausflußbedingungen; und

Ausführen der Erzeugung von Radikalen in der Reaktionskammer und Steuerung der Erzeugung der Radikalen in der Reaktionskammer gemäß der Gleichung

ROUT = RGEN + RIN - RRET ≥ RCRIT,

wobei

ROUT = aus der Reaktionskammer in den Kolbenausnehmungsbereich ausgegebene Radikale,

RIN = eingeimpfte Radikale aus der Brennkammer, die während der Verdichtung einer Beschickung in die Reaktionskammer zurückgeführt werden;

RRET = in der Reaktionskammer zurückgehaltene Radikale;

RCRIT = die minimale Menge der Radikale in der Reaktionskammer, die notwendig ist, um gewünschte vorwählbare Zündungs- und Verbrennungscharakteristika der Beschickung zu erhalten,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Schritt der Bereitstellung der Öffnungsmittel das Bereitstellen einer Anordnung von diskreten Öffnungen (58, 60, 60'; 158, 160; 258, 260; 358, 58', 360, 360'; 406, 408; 506, 508, 510; 706, 708) umfaßt, welche die einzige Kommunikation zwischen der Reaktionskammer und dem Ausnehmungsbereich schaffen, und ferner,

daß es die folgenden Schritte aufweist:

Richten von Kraftstoff jeder Beschickung während jedes Verbrennungszyklus auf wenigstens eine diskrete Öffnung ((58, 158, 258, 358, 406, 506, 706) in der Anordnung und Steuerung bzw. Regelung des Einlasses primär von Kraftstoff in die Reaktionskammer durch die Kraftstoffsteuer- bzw. -regelöffnung; und

Verwendung wenigstens einer separaten Öffnung (60, 60', 160, 260, 360, 408, 508, 708), welche räumlich getrennt von der Kraftstoffsteueröffnung angeordnet ist, zur Steuerung des Einlasses primär von Luft in die Reaktionskammer.

26. Verfahren nach Anspruch 25, ferner gekennzeichnet durch den Schritt einer direkten Einspritzung von flüssigem Kraftstoff in den Ausnehmungsbereich des Kolbens bei jedem Verbrennungszyklus und Initiierung des Verbrennungsabschnitts jedes Verbrennungszyklus durch Verdichtungszündung, und wobei die vorgewählten Zündcharakteristika eine regelmäßige, voraussagbare Zündzeitsteuerung während jedes Verbrennungszyklus zur Verfügung stellen.

27. Verfahren nach Anspruch 26, ferner gekennzeichnet durch den Schritt des Richtens eines Abschnitts des eingespritzten flüssigen Kraftstoffs in Richtung der Kraftstoffsteueröffnung unter Aufrechterhaltung der Luftsteueröffnung außerhalb des Bereiches des Auftreffens des eingespritzten Kraftstoffs.