DE69701017T2

DE69701017T2 - Dieselbrennkraftmaschine mit schwer verdampfbarem Brennstoff

Info

Publication number: DE69701017T2
Application number: DE69701017T
Authority: DE
Inventors: Hideo Kawamura
Original assignee: Isuzu Ceramics Research Institute Co Ltd
Current assignee: Isuzu Ceramics Research Institute Co Ltd
Priority date: 1996-05-24
Filing date: 1997-02-06
Publication date: 2000-06-29
Anticipated expiration: 2017-02-07
Also published as: US5727519A; EP0809003B1; EP0809003A2; DE69701017D1; EP0809003A3; CN1166569A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Dieselmotor oder eine Dieselbrennkraftmaschine mit schwerverdampfbarem Kraftstoff, die auf ein cogeneratives (für die gleichzeitige Erzeugung zweier Energiearten geeignetes) System angewendet wird und eine Wirbelkammer in einem Kolben aufweist.
JP-A-7042 562 beschreibt eine Dieselbrennkraftmaschine, die zur Förderung der Luft-Kraftstoffvermischung geeignet ist.
US-4 446 830 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Funkenzündung, bei der der Kraftstoff eine hohe latente Verdampfungswärme aufweist.
Im allgemeinen werden Benzin, Leichtöl und Schweröl als Kraftstoffe für eine Brennkraftmaschine verwendet. Bei einer üblichen Dieselmaschine wird Leichtöl als Kraftstoff in einer Verbrennungskammer verbrannt. Die Cetanzahl des Leichtöls liegt nicht unter 40, während diejenige des Schweröls nur etwa 25 beträgt. Die Verdampfbarkeit des Benzins, Leichtöls und Schweröls ist jeweils hoch, niedrig bzw. im wesentlichen Null. Die Preise des Leichtöls und Schweröls liegen bei etwa 70 bzw. etwa 15, wenn man beispielsweise 100 für den Preis des Benzins ansetzt.
Die bekannten Generatoreinrichtungen eines cogenerativen Systems bilden in den meisten Fällen ein System mit einem auf einen Motor aufgesetzten Generator. Bei der Erzeugung von Leistung mittels eines Dieselmotors erhöhen sich die Kraftstoffkosten, da der Dieselmotor Leichtöl als Kraftstoff verwendet, wobei die Kraftstoffkosten höher werden als die Kosten des von einer Elektrizitätsgesellschaft gelieferten elektrischen Stromes. Daher kann die Überlegenheit bezüglich der Kosten nicht gewährleistet werden. Die Erzielung von elektrischem Strom durch einen Benzin verwendenden Motor lassen übermäßig hohe Kosten entstehen, und es gibt keine Maßnahmen, die zur Lösung dieses Problems ergriffen werden könnten. Wenn Benzin oder Leichtöl als Kraftstoff für einen cogenerativen Motor oder eine cogenerative Brennkraftmaschine verwendet werden, werden die Kraftstoffkosten hoch, so daß die Verwendung eines natürlichen Gases oder Erdgas für einen solchen Motor oder eine solche Brennkraftmaschine aufkam.
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung entwickelte einen Dieselmotor, der Schweröl als Kraftstoff verwendet, und er reichte früher die Japanische Patentanmeldung Nr. 46956/1996 für das Produkt ein. Dieser Dieselmotor ist in der Lage, Schweröl zu zünden und zu verbrennen als einen Kraftstoff hoher Viskosität und ohne Verdampfbarkeit, ohne denselben einer Hochdruckeinspritzung zu unterwerfen, und er ist versehen mit einer Hauptkammer und einer Wirbelkammer in einem Zylinderkopf und einer Kraftstoffeinspritzdüse in der Umgebung von Verbindungskanälen, wobei der Kraftstoff aus der Kraftstoffeinspritzdüse zu den Sitzteilen von Umschaltventilen eingespritzt wird, die in den Verbindungskanälen vorgesehen sind, unmittelbar nachdem die Umschaltventile geöffnet werden, um den Kraftstoff in einer Hochgeschwindigkeits-Luftströmung mitzuführen, die durch die Verbindungskanäle strömt, wodurch der Kraftstoff in die Luftströmung zwischen der Hauptkammer und der Wirbelkammer dispergiert, vergast und diffundiert sowie gezündet und verbrannt wird.
Da ein für ein cogeneratives System verwendeter Motor einen hohen Wärmewirkungsgrad und einen hohen Grad an Sauberkeit des Abgases erfordert, wird in den meisten Fällen Leichtöl mit einer ausgezeichneten Zündfähigkeit als Kraftstoff verwendet. Da jedoch Leichtöl in vielen Fällen als Kraftstoff für Fahrzeuge verwendet wird, ist die Beziehung von Lieferung zu Anforderung beim Leichtöl nicht immer gut. Es gibt einen bekannten, in der Praxis verwendeten cogenerativen Motor, der ein Naturgas oder Erdgas verwendet, aber auch Erdgas verursacht eine Steigerung der Kraftstoffkosten. Ferner ist es schwierig, in gewissen Gebieten ein Erdgas geliefert zu bekommen.
Unter diesen Umständen ist zu fordern, daß ein Dieselmotor oder eine Dieselkraftmaschine nicht Leichtöl und Erdgas als Kraftstoff, sondern Schweröl als einen billigeren Kraftstoff mit geringer Verdampfbarkeit verwendender Motor oder Maschine entwickelt wird. Wenn jedoch ein Kraftstoff mit geringer Verdampfbarkeit, wie Schweröl, für diesen Motor verwendet wird, bestehen verschiedene Probleme einschließlich der Probleme, welche das Auftreten von Ruß und NOx betreffen. Dementsprechend ist es erforderlich, ein Krafstoffsystem zu entwickeln, welches diese Probleme löst und als Kraftstoff einen hitzebeständigen Kraftstoff mit geringer Verdampfbarkeit, wie Schweröl, verwendet.
Wenn ein Kraftstoff in eine Hochtemperatur-Atmosphäre in einer Brennkammer einer wärmeisolierenden Struktur in einem Dieselmotor bei Verwendung eines schwerverdampfbaren Kraftstoffs, wie Schweröl, als Kraftstoff eingespritzt wird, erfolgt keine ausreichende Vermischung der Luft mit dem Kraftstoff, d. h. es wird eine ungleichförmige Gasmischung erzeugt. In einem solchen zerstäubten Kraftstoff tritt ein örtlicher Abschnitt mit hoher Temperatur in einem äußeren Umfangsbereich desselben infolge der ungleichförmigen Flammen auf und es tritt eine große Menge von NOx auf. Da die Viskosität des Kraftstoffs in diesem Dieselmotor hoch ist, kann keine Einspritzpumpe verwendet werden, die eine große Kompressionskraft erfordert, und das Ausbilden eines zerstäubten Kraftstoffs unter einem hohen Druck in einer Brennkammer ist schwierig. Ferner erfolgt eine schlechte Vermischung der Luft mit dem Kraftstoff und es treten HC und Ruß in großen Mengen auf. Um den Druck des Schweröls mit hoher Viskosität zu erhöhen, ist eine Kraftstoffeinspritzpumpe größerer Bauart erforderlich, aber wenn eine Kraftstoffeinspritzpumpe mit höherem Einspritzdruck verwendet wird, steigen die Kosten der Pumpe.
In einem langsam laufenden Dieselmotor für Schiffe ist die Rotationsfrequenz ausreichend niedrig, d. h. nicht höher als 100-200 U/min. so daß eine ausreichend lange Zeit zum Mischen der Luft mit dem Kraftstoff verbraucht werden kann. Bei diesem Motor wird der Kraftstoff aus einer Kraftstoffeinspritzdüse unter einem hohen Druck in Radialrichtung gegen den Umfang eines Zylinders gesprüht, um eine gleichförmige Gasmischung des Kraftstoffs zu bilden und diese Mischung zu verbrennen. Obwohl der Kraftstoffwirkungsgrad dieses Motors zufriedenstellend ist, ist ein kritisches Problem das Auftreten von HC und NOx.
Bei einem Dieselmotor, der mit hoher Drehzahl (z. B. 1500 U/min) betrieben wird, wie ein cogenerativer Motor, ist die Zeit zum Vermischen der Luft mit dem Kraftstoff kurz und nicht ausreichend lang. Daher treten oft Fehlzündungen auf und häufig kommt die Erzeugung von NOx und Rauch vor.
Daher besteht bei diesem Dieselmotor das Problem der Erzeugung eines Verfahrens oder einer Technik zum Ausbilden einer ausgezeichneten und gleichförmigen Gasmischung, um den Kraftstoffwirkungsgrad zu verbessern, insbesondere das Problem der Entwicklung einer Technik zum Verringern der Erzeugung von NOx und Rauch.
Um daher die Verbrennung zu verbessern, den Wärmewirkungsgrad zu erhöhen und eine Reinigung des Abgases in einem Dieselmotor zu erreichen, der einen hitzebeständigen schwerverdampfbaren Kraftstoff verwendet, wie Schweröl, ist es erforderlich, die Verbrennungsperiode zu verkürzen und eine gleich förmige Gasmischung durch hervorragendes Vermischen des Kraftstoffs mit der Luft zu erreichen. In einem Dieselmotor, bei dem hitzebeständiges Material, wie Keramikmaterial als Baumaterial für die Brennkammer verwendet wird, steigt die Temperatur am Kompressionsende in der Brennkammer bis auf 250ºC an, um eine Hochtemperatur-Atmosphäre zu bilden. Wenn ein schwerverdampfbarer Kraftstoff, wie Schweröl, in eine solche Hochtemperatur-Atmosphäre in einem wärmeisolierten Dieselmotor eingespritzt wird, werden Luft und Kraftstoff nicht zufriedenstellend vermischt, und es bildet sich ein örtlicher Hochtemperaturbereich in einem äußeren Umfangsteil des zerstäubten Kraftstoffs infolge der ungleichförmigen Flammen, so daß NOx in großen Mengen anfällt. Um die Erzeugung von NOx und Ruß in einem Dieselmotor zu verringern, ist die Bildung eines mageren Gasgemischs zweckmäßig, wenn jedoch ein mageres Gasgemisch gebildet wird, treten Fehlzündungen auf, welche die Erzeugung einer großen Menge von HC bewirken.
Um daher einen schwerverdampfbaren Kraftstoff, wie Schweröl, zu verbrennen, ist es vorstellbar, ein Verfahren mit größerem Zeitverbrauch beim Vergasen des Kraftstoffs oder ein Verfahren der Anwendung von kinetischer Energie durch Fördern der Vermischung der Luft und des Kraftstoffs miteinander oder ein Verfahren zur Erhöhung der Temperatur der Luft durchzuführen. Bei einem schnellen Dieselmotor, der Kraftstoff mit niedriger Qualität verwendet, wie Schweröl, ist es schwierig, den Kraftstoff mit der Luft zu vermischen. Daher ist das Leistungsvermögen eines solchen Motors niedrig, und es sind schädliche Substanzen, wie NOx und Ruß, im Abgas enthalten. Um den Kraftstoff mit der Luft hervorragend zu vermischen und die Leistung des Motors zu verbessern, müssen Kraftstoff und Luft wirksam miteinander in Kontakt gebracht werden. Die denkbaren Verfahren zur wirksamen Vermischung eines Kraftstoffs mit niedriger Qualität, wie Schweröl, mit Luft und zur wirksamen Verbrennung der Mischung umfassen ein Verfahren zur Erhöhung der Zeit für die Vermischung des Kraftstoffs mit Luft, ein Verfahren zur Erhöhung der Temperatur der Luft sowie ein Verfahren zur Förderung der Vermischung der Luft mit dem Kraftstoff durch Ausnützung der kinetischen Energie der Luft.
In einem Motor mit einer Brennkammer mit wärmeisolierendem Aufbau empfängt die Ansaugluft die Wärme aus der Wandfläche der Verbrennungskammer und wird dadurch erhitzt, so daß der Kraftstoff wirksam vergast wird. Wenn daher eine Verbrennungskammer wärmeisolierenden Aufbau besitzt, um die Fluidität der Luft und des Kraftstoffs darin zu verbessern, kann ein schwerverdampfbarer Kraftstoff, wie Schweröl, verbrannt werden. Das NOx, eine schädliche Substanz in einem Abgas, wird leicht in großen Mengen erzeugt, wenn die Kraftstoffteilchen mit der Umgebungsluft während der Verbrennung eines teilchenförmigen Kraftstoffs in der Luft reagieren. Wenn jedoch eine Verbrennungsreaktion mit einem in der Luft dispergierten Kraftstoff hervorgerufen wird, wird die Verbrennung des Kraftstoffs durch die Temperatur der Luft auf der Außenseite des Kraftstoffs gesteuert und es tritt kein großer Temperaturanstieg auf, so daß die Erzeugung von NOx minimal wird.
Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Dieselmotors, der schwerverdampfbaren Kraftstoff verwendet und so entwickelt ist, daß er diese Probleme löst, zum Laufen mit hoher Drehzahl unter Verwendung eines schwerverdampfbaren Kraftstoffs, wie Schweröl, geeignet und gekennzeichnet ist durch Erhöhung der Temperatur der ins Innere der Brennkammer gelieferten Luft, Ausbilden der Brennkammer mit wärmeisolierendem Aufbau durch Verwendung eines hitzebeständigen Materials, wie Keramikmaterial, als Baumaterial, Verbrauchen einer ausreichend langen Zeit für das Vermischen der Luft mit dem Kraft stoff, Einspritzen des Kraftstoffs in die Brennkammer an einem Ende des Saughubes oder wenigstens in der ersten Hälfte des Kompressionshubes, Einspritzen des Kraftstoffs in einen Ansaugluftwirbel in einem Bereich, in welchem der Luftdruck niedrig ist, mit einem am unteren Totpunkt befindlichen Kolben, um die Fluidität der Luft beim Vermischen der Luft mit dem Kraftstoff auszunützen, Verbessern der Fluidität der Luft und des Kraftstoffs durch Dispergieren des Kraftstoffs in einer Luftströmung in einem Zylinder, wodurch eine gleichförmige Gasmischung gebildet wird, Einleiten der Teilchen des unvollständig vermischten Kraftstoffs aus einer Hauptkammer in eine Wirbelkammer durch Verbindungskanäle, wodurch das Vermischen des Kraftstoffs mit Luft gefördert wird, Zünden und Verbrennen der Gasmischung in der Wirbelkammer, um die Erzeugung von NOx und Rauch minimal zu machen, und wiederum Einspritzen eines Zündkraftstoffs aus einer Kraftstoffeinspritzdüse in die Wirbelkammer, sowie Zünden und Verbrennen des Kraftstoffs, um eine Fehlzündung zu vermeiden, wenn der Motor sich in einem Teillastzustand befindet.
Die Erfindung betrifft einen Dieselmotor oder eine Dieselbrennkraftmaschine mit schwerverdampfbarem Kraftstoff, welcher bzw. welche aufweist: einen Zylinderkopf, der an einem einen Zylinder bildenden Zylinderblock befestigt ist, eine Brennkammerstruktur, welche eine wärmeisolierende Primär- oder Hauptkammer bildet, die in einem im Zylinderkopf gebildeten Hohlraum vorgesehen ist, Ventile zum Öffnen und Schließen von Kanälen, die im Zylinderkopf ausgebildet sind, eine Kraftstoffeinspritzdüse zum Einspritzen eines schwerverdampfbaren Kraftstoffs in den Zylinder, der im Zylinderkopf vorgesehen ist, eine im Zylinderkopf vorgesehene Glühkerze, einen Kolben, der im Zylinder hin- und herbewegbar ist, eine wärmeisolierende Wirbelkammer enthält und mit Verbindungskanälen versehen ist, durch die die Hauptkammer und die Wirbelkammer miteinander in Verbindung stehen, sowie eine Kerzen einsatzbohrung, durch welche die Glühkerze in die Wirbelkammer geschoben wird, wenn der Kolben sich in der Umgebung des oberen Totpunkts befindet, sowie eine Steuereinrichtung, welche geeignet ist, das Einspritzen des hitzebeständigen schwerverdampfbaren Kraftstoffs aus der Kraftstoffeinspritzdüse in die Hauptkammer in der ersten Hälfte eines Kompressionshubes und das Einspritzen eines Teils des Kraftstoffs in die Wirbelkammer am Ende des Kompressionshubes, in welchem die Glühkerze in die Wirbelkammer durch die Kerzeneinsatzbohrung geschoben wird, zu steuern, wodurch der Kraftstoff gezündet und in der Wirbelkammer verbrannt wird.
In der Hauptkammer bildet die Ansaugluft, die aus den Kanälen in den Zylinder eingeleitet wird, einen Wirbel in derselben. Der zerstäubte Kraftstoff aus der Kraftstoffeinspritzdüse wird in den Zylinder diagonal von der Mitte des Zylinders gegen deren Umfang eingespritzt und in einem Wirbel im Zylinder dispergiert.
Die Steuereinrichtung ist geeignet, die Wiedereinspritzung des Kraftstoffs aus der Kraftstoffeinspritzdüse in die Wirbelkammer durch einen im Kolben ausgebildeten Kraftstoffeinspritzkanal zu steuern, wobei das Einspritzen in Abhängigkeit von dem Belastungszustand des Motors durchgeführt wird.
Daher wird der Kraftstoff wiederum von der Kraftstoffeinspritzdüse in die Wirbelkammer eingespritzt, wenn der Kolben sich in einer Stellung in der Umgebung des oberen Kompressionstotpunktes des Kolbens befindet, und darüber hinaus wird der wiedereingespritzte Kraftstoff gegen die ins Innere der Wirbelkammer vorstehende Glühkerze gespritzt und dadurch erhitzt, wobei der Kraftstoff so zuverlässig gezündet und verbrannt wird.
Bei diesem Dieselmotor wird das Einsprühen des Kraftstoffs in den Zylinder durchgeführt, wenn der Kolben sich in einer Stellung in der Umgebung des unteren Totpunkts des Kolbens im wesentlichen in einer Anfangsperiode eines Kompressionshubes befindet, wie oben erwähnt, und der Kraftstoff wird aus der Kraftstoffeinspritzdüse in eine Strömung eines Ansaugluftwirbels im Zylinder eingespritzt, um den Kraftstoff in der Luftströmung zu dispergieren, wodurch eine Gasmischung ausgebildet wird. Diese Gasmischung wird mit hoher Geschwindigkeit in die zentral vorgesehene Wirbelkammer durch den Verbindungskanal und die Kerzeneinsatzbohrung in Übereinstimmung mit einer Aufwärtsbewegung des Kolbens eingespritzt, wodurch ein Vermischungsvorgang in der Wirbelkammer zur Bildung einer gleichförmigen Gasmischung gefördert wird, der in die Wirbelkammer durch den durchgehenden Kanal in der Umgebung des Endes eines Kompressionshubes eingespritzte Kraftstoff in der Wirbelkammer mit Unterstützung der Glühkerze gezündet und verbrannt wird, um eine verminderte Erzeugung von NOx und Rauch zu ermöglichen, und es läßt sich eine ideale Verbrennung bewirken. Ferner wird das Einspritzen des zerstäubten Kraftstoffs diagonal aus der Mitte des Zylinders gegen dessen Umfang durchgeführt, so daß die Dispersion des Kraftstoffs in der Luft im Zylinder hervorragend durchgeführt wird.
Da dieser Dieselmotor in der oben beschriebenen Weise aufgebaut ist, wird ein schwerverdampfbarer Kraftstoff, wie Schweröl breit in die Luftströmung im Zylinder im wesentlichen aus der Mitte des Zylinders gegen dessen Umfang gesprüht, wodurch der erwähnte Kraftstoff gleichförmig in der Hauptkammer diffundiert und dispergiert wird. So kann eine gleichförmige Gasmischung des Kraftstoffs und der Luft in der Hauptkammer gebildet werden. Die Gasmischung tritt in die Wirbelkammer aus der Hauptkammer durch den Verbindungskanal während des Kompressionshubs ein, und es wird Zündkraftstoff in die Wirbelkammer eingespritzt, wenn der Kolben sich in der Umgebung des oberen Kompressionstotpunkts befindet, damit er auf die Glühkerze auftrifft, und der Zündkraftstoff und die Gasmischung werden zuverlässig in der Wirbelkammer gezündet und verbrannt, wobei die Verbrennung der Gasmischung mit minimaler Erzeugung von NOx durchgeführt wird. Beim nächsten Expansionshub wird die Gasmischung, die in der Hauptkammer bereits gebildet worden ist, durch die Flammen verbrannt, die als Feuerquelle dienen, gleichförmig dispergiert und eingespritzt und in der Umfangsrichtung aus der Wirbelkammer in die Hauptkammer eingespritzt. Daher treten keine ungleichförmigen Flammen in der Hauptkammer auf und die Verbrennung pflanzt sich darin schnell fort. Es tritt nämlich kein hoher Temperaturbereich, der ungleichförmigen Flammen zuschreibbar ist, im Umfangsteil des eingesprühten Kraftstoffs auf, und die Gasmischung wird nicht bei hoher Temperatur verbrannt. Dementsprechend ist die Erzeugung von NOx minimal und die Verbrennung wird in kurzer Zeit beendet. Wenn dieser Dieselmotor teilweise belastet ist, ist die in die Wirbelkammer strömende Gasmischung arm oder mager, und es würde eine Fehlzündung auftreten. Es wird jedoch ein Zündkraftstoff aus der Kraftstoffeinspritzdüse in die Wirbelkammer derart eingespritzt, daß die Gasmischung zuverlässig gezündet und verbrannt wird. Wenn nämlich eine sehr kleine Kraftstoffmenge in die im Kolben gebildete Wirbelkammer in dem Zeitpunkt eingespritzt wird, in welchem der Kolben sich in der Umgebung des oberen Kompressionstotpunkts befindet, kann die Gasmischung zuverlässig gezündet werden, auch wenn der Motor teilweise belastet ist, und es tritt keine Fehlzündung auf. Da eine gleichförmige Gasmischung gebildet wird, kann ein sehr schneller oder Hochleistungsbetrieb des Motors erreicht werden.
Da dieser Dieselmotor die Durchführung eines sehr schnellen oder Hochleistungsbetriebes, eine Verringerung des Auftretens von NOx, die Reinigung des Abgases und darüber hinaus eine Verbesserung der Zündfähigkeit der Gasmischung und des Wärmewirkungsgrades trotz der Tatsache ermöglicht, daß ein schwerverdampfbarer Kraftstoff, wie billiges Schweröl, als Kraftstoff in der oben erwähnten Weise verwendet wird, wird seine Anwendung auf ein cogeneratives System für ein Generatorsystem stark bevorzugt.
Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Dieselmotors oder einer Dieselbrennkraftmaschine, die schwerverdampfbaren Kraftstoff verwenden, wobei ein schwerverdampfbarer Kraftstoff, wie Schweröl, unter einem weiten Winkel in einen Ansaugluftwirbel in einen Bereich niedrigen Luftdrucks eingespritzt wird, wobei sich der Kolben im unteren Totpunkt befindet, um ausreichend lange Zeit für das Vermischen des Kraftstoffs und der Luft miteinander aufzubringen und die Ausnützung der Luftströmung zu ermöglichen, wobei eine magere oder arme Gasmischung durch Dispergieren des weit eingespritzten Kraftstoffs in eine Luftströmung im Zylinder gebildet und dadurch die Vermischung des Kraftstoffs mit der Luft gefördert wird, die Gasmischung mit hoher Geschwindigkeit in die zentral angeordnete Wirbelkammer durch einen Verbindungskanal entsprechend der Aufwärtsbewegung des Kolbens eingeleitet wird, um die Vermischung des Kraftstoffs mit Luft zu fördern und eine gleichförmige Gasmischung in der Wirbelkammer zu bilden, sodann ein Zündkraftstoff mit niedriger Verdampfbarkeit aus einer Kraftstoffeinspritzdüse in die Wirbelkammer durch einen konvergierenden Kraftstoffeinspritzkanal eingespritzt wird, so daß der Kraftstoff zusammengefaßt wird, wodurch ein leicht zündbares reiches oder fettes Gasgemisch in der Wirbelkammer gebildet sowie gezündet und verbrannt wird, wodurch das Auftreten von NOx und Rauch minimal wird.
Bei diesem Dieselmotor ist die Kraftstoffeinspritzdüse mit einem Kraftstöffeinspritzkanal im wesentlichen im Mittelbe reich des Kolbens versehen, wobei der Kraftstoffeinspritzkanal so ausgebildet ist, daß seine Querschnittsfläche allmählich von einer oberen Fläche des Kolbens zur Wirbelkammer hin abnimmt, und der schwerverdampfbare Kraftstoff wird in einem diffundierten Zustand aus dem Kraftstoffeinspritzkanal in den Zylinder in der ersten Hälfte des Kompressionshubes eingespritzt und ein schwerverdampfbarer Zündkraftstoff wird in die Wirbelkammer durch den Kraftstoffeinspritzkanal in der späteren Hälfte des Kompressionshubes eingespritzt.
Vorzugsweise ist die Wandfläche des Einspritzkanals mit einer zündungsfördernden Katalysatorschicht aus Pt, Ni oder Cs versehen. Dementsprechend wird der aus der Kraftstoffeinspritzdüse in die Wirbelkammer durch den Kraftstoffeinspritzkanal eingespritzte Kraftstoff mit einem auf hoher Temperatur befindlichen mageren Gasgemisch vermischt, um eine leicht zündbare reiche Gasmischung zu bilden, und ferner kontaktiert diese Gasmischung die zündungsfördernde Katalysatorschicht, so daß sie zuverlässig gezündet werden kann, auch wenn die Temperatur niedrig ist.
Vorzugsweise wird der Kraftstoff, von dem nicht weniger als 50% der Gesamtmenge desselben aus der Kraftstoffeinspritzdüse in den Zylinder am Beginn eines Kompressionshubes eingespritzt wird, in einem diffundierten Zustand von der Mitte des Zylinders gegen einen Umfang einer oberen Fläche des Kolbens eingespritzt, wobei der restliche, am Ende des Kompressionshubes eingespritzte zerstäubte Zündkraftstoff in dem Kraftstoffeinspritzkanal gesammelt wird, Wärme von der Wandfläche des Kraftstoffeinspritzkanals aufnimmt und in die Wirbelkammer eingespritzt wird.
Bei diesem Dieselmotor wird ein schwerverdampfbarer Kraftstoff in diffundiertem Zustand aus der Kraftstoffeinspritzdüse in den Zylinder eingespritzt und sodann ein schwerver dampfbarer Zündkraftstoff aus der oberen Fläche des Kolbens in die Wirbelkammer durch den Kraftstoffeinspritzkanal, der im wesentlichen im Mittelteil des Kolbens derart vorgesehen ist, daß sein Querschnitt von der oberen Fläche des Kolbens zur Wirbelkammer hin allmählich abnimmt, und er wird sodann darin, wie oben erwähnt, gezündet und verbrannt. Dementsprechend wird eine im wesentlichen gleichförmige Gasmischung im Zylinder ausgebildet und sie tritt in die Wirbelkammer entsprechend der Aufwärtsbewegung des Kolbens und durch den Verbindungskanal und den Kraftstoffeinspritzkanal ein. Die Vermischung der sich ergebenden Gasmischung wird in der Wirbelkammer gefördert und die Gasmischung wird gezündet und verbrannt, indem der schwerverdampfbare Zündkraftstoff in die Wirbelkammer durch den Kraftstoffeinspritzkanal eingespritzt wird, wenn der Kolben sich in einer Stellung nahe dem Ende eines Kompressionshubes befindet. So kann eine ideale Verbrennung einer Gasmischung mit geringer Erzeugungsrate von NOx ausgeführt werden.
Bei diesem Dieselmotor wird der zerstäubte Kraftstoff konisch diffundierend aus der Kraftstoffeinspritzdüse in den Zylinder in der ersten Hälfte eines Kompressionshubes eingespritzt, so daß der Kraftstoff aus der Mitte des Zylinders zu dessen Umfang gerichtet ist. Daher wird der schwerverdampfbare Kraftstoff ausgezeichnet in die Luft im Zylinder dispergiert und eine gleichförmige Gasmischung wird darin gebildet.
Da dieser Dieselmotor in der obigen Weise aufgebaut ist, wird ein schwerverdampfbarer Kraftstoff, wie Schweröl, in einem weiten Bereich in die Luftströmung im Zylinder eingespritzt, so daß der Kraftstoff aus dem im wesentlichen mittleren Teil des Zylinders zum Umfang desselben und über den ganzen Bereich der oberen Fläche des Kolbens in der ersten Hälfte eines Kompressionshubes, d. h. in einem Zustand, in welchem der Druck im Zylinder niedrig ist, konisch expandiert wird.
Dementsprechend wird der schwerverdampfbare Kraftstoff in der Hauptkammer gleichförmig diffundiert und dispergiert, und eine gleichförmige Gasmischung des Kraftstoffs und der Luft kann in der Hauptkammer gebildet werden. Die Gasmischung wird sodann in einem Kompressionshub aus der Hauptkammer in die Wirbelkammer durch den Verbindungskanal und den Kraftstoffeinspritzkanal eingeleitet und darin weiter vermischt. Ein Zündkraftstoff wird aus der Kraftstoffeinspritzdüse in die Wirbelkammer durch den Kraftstoffeinspritzkanal eingespritzt, wenn sich der Kolben nahe dem Ende eines Kompressionshubes befindet, und bei minimaler Erzeugung von NOx gezündet und verbrannt. Im folgenden Expansionshub, in welchem eine gleichförmige Gasmischung in der Hauptkammer bereits ausgebildet worden ist, dienen die in einem gleichförmig dispergierten Zustand aus der Wirbelkammer in die Hauptkammer in Umfangsrichtung derselben eingeleiteten Flammen als Feuerquellen, so daß keine ungleichmäßigen Flammen in der Hauptkammer auftreten, wobei die Verbrennungsfortpflanzung in der Hauptkammer schnell fortschreitet. Dementsprechend tritt kein lokal hocherhitzter Bereich, der ungleichförmigen Flammen zugeschrieben werden kann, im äußeren Umfangsbereich des eingespritzten zerstäubten Kraftstoffs auf. Da die Gasmischung nicht mit hoher Temperatur verbrannt wird, wird das Auftreten von NOx minimal, und die Verbrennung kann in kurzer Zeit beendet werden.
Trotz der Tatsache, daß dieser Dieselmotor einen schwerverdampfbaren Kraftstoff, wie billiges Schweröl, verwendet, kann er mit hoher Geschwindigkeit oder hohem Leistungsvermögen betrieben werden, und das Auftreten von NOx wird minimal, wobei das Abgas gereinigt wird. Ferner ist die Zündbarkeit der Gasmischung hervorragend, und der Wärmewirkungsgrad wird verbessert. Daher wird dieser Dieselmotor oder diese Dieselbrennkraftmaschine vorzugsweise auf ein eingebautes cogeneratives System angewendet, das für ein Generatorsystem verwen det wird. In einem cogenerativen System sind die Drehfrequenz und die Belastung des Motors im wesentlichen konstant, so daß es einfach ist, die Zeit auf einen vorbestimmten Wert einzustellen, in der der Kraftstoff in die Hauptkammer eingespritzt wird. Besonders da die Bildung von NOx minimal gemacht werden kann und da ein schwerverdampfbarer Kraftstoff, wie Schweröl, als Kraftstoff verwendet werden kann, kann der Kraftstoffverbrauch reduziert werden.
Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend lediglich beispielhaft mit Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 einen Schnitt einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen, einen schwerverdampfbaren Kraftstoff verwendenden Dieselmotors in dem Zustand, in welchem sich der Kolben im oberen Totpunkt befindet,
Fig. 2 eine Draufsicht auf eine obere Fläche des Kolbens in dem einen schwerverdampfbaren Kraftstoff verwendenden Dieselmotor gemäß Fig. 1;
Fig. 3 einen Schnitt des eines schwerverdampfbaren Kraftstoff verwendenden Dieselmotors gemäß Fig. 1 in dem Zustand, in welchem sich der Kolben nahe dem unteren Totpunkt befindet;
Fig. 4 einen Schnitt einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen, einen schwerverdampfbaren Kraftstoff verwendenden Dieselmotors in dem Zustand, in welchem der Kolben sich im oberen Totpunkt befindet;
Fig. 5 eine Draufsicht auf eine obere Fläche des Kolbens in dem einen schwerverdampfbaren Kraftstoff verwendenden Dieselmotor gemäß Fig. 4;
Fig. 6 einen Schnitt des einen schwerverdampfbaren Kraftstoff verwendenden Dieselmotors gemäß Fig. 4 in dem Zustand, in welchem der Kolben sich nahe dem unteren Totpunkt befinfindet; und
Fig. 7 einen Schnitt einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen, einen schwerverdampfbaren Kraftstoff verwendenden Dieselmotors in dem Zustand, in welchem sich der Kolben in dem oberen Totpunkt befindet.
Nachfolgend werden die Ausführungsformen des einen schwerverdampfbaren Kraftstoff verwendenden Dieselmotors oder der Dieselbrennkraftmaschine gemäß der Erfindung mit Bezugnahme auf die Figuren erläutert.
Der erfindungsgemäße Dieselmotor ist ein Verbrennungssystem, das in der Lage ist, einen hitzebeständigen schwerverdampfbaren Kraftstoff, wie Schweröl, zu verwenden, und er ist eine Maschine, die vorzugsweise z. B. für eine eingebaute cogenerative Maschine verwendet wird, und wird durch aufeinanderfolgendes Wiederholen von vier Hüben, d. h. Saughub, Kompressionshub, Expansionshub und Auspuffhub, betrieben.
Zuerst wird eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dieselmotors mit Bezugnahme auf die Fig. 1, 2 und 3 beschrieben.
Bei dem Dieselmotor des ersten Ausführungsbeispiels ist ein Zylinderkopf 7 an einem Zylinderblock 14 über eine Dichtung 23 befestigt, und eine Brennkammerstruktur 3, die eine Hauptkammer 1 eines wärmeisolierenden Aufbaus bildet, ist in einem Hohlraum 9 des Zylinderkopfes 7 vorgesehen. Dieser Dieselmotor hat einen Zylindermantel 32, der einen in eine Bohrung 33 im Zylinderblock 14 eingepaßten Zylinder 8 bildet, sowie einen Kolben S. der sich in dem vom Zylindermantel 32 und der Brennkammerstruktur 3 gebildeten Zylinder 8 hin- und herbewegt. Der Zylinderkopf 7 ist darin mit einer Kraftstoffeinspritzdüse 6 zum Einspritzen eines Kraftstoffs in die Hauptkammer 1 sowie einer Glühkerze 4 versehen.
Der Kolben 5 ist aus einem Keramikmaterial, wie Siliziumnitrid mit hohem Wärmewiderstand, gebildet und weist einen Kolbenkopf 16, in welchem eine Brennkammer mit wärmeisolierendem Aufbau oder eine Wirbelkammer 2 gebildet ist, sowie einen Kolbenmantel 17 auf, der am Kolbenkopf über einen Verbindungsring 24 aus Fließmetall (metal flow) befestigt ist. Der Kolbenkopf 16 hat einen Hohlraum 19, welcher eine Wirbelkammer 2 bildet. Der Kolbenkopf 16 ist ferner mit Verbindungskanälen, welche die Hauptkammer 1 und die Wirbelkammer 2 miteinander verbinden, einer Kerzeneinsatzbohrung 10, durch welche die Glühkerze in die Wirbelkammer 2 eingeschoben werden kann, wenn sich der Kolben nahe dem oberen Totpunkt befindet, und einem Kraftstoffeinspritzkanal 13 versehen, durch welchen der Kraftstoff in die Wirbelkammer 2 eingespritzt werden kann. Wie in Fig. 2 gezeigt, sind mehrere Verbindungskanäle 15 (8 in Fig. 2) in einer oberen Fläche 18 des Kolbenkopfes 16 derart angeordnet, daß sie in Umfangsabständen in derselben münden. Die Kerzeneinsatzbohrung 10 ist im wesentlichen im Mittelabschnitt der oberen Fläche 18 des Kolbenkopfes 16 gebildet. Der Kraftstoffeinspritzkanal 13 ist in der oberen Fläche 18 des Kolbenkopfes 16, wie in Fig. 2 gezeigt, derart ausgebildet, daß er sich diagonal, d. h. in der Richtung, erstreckt, in welcher ein zerstäubter Kraftstoff F aus der Kraftstoffeinspritzdüse 6 auf die Glühkerze 4 auftrifft.
Die Brennkammerstruktur 3 ist eine Kopfauskleidung oder ein Kopfmantel, der aus einem oberen Mantelteil 12, welcher einen Teil des Zylinders 8 bildet, und einem unteren Kopfteil 11 besteht. Der untere Kopfteil 11 ist mit Ansaug- und Auspuffkanälen 22 versehen (nur der Ansaugkanal ist dargestellt). Der Ansaugkanal 22 steht mit einem Ansaugkanal 25 im Zylinderkopf 7 in Verbindung. Der Ansaugkanal 22 enthält ein Ansaugventil 21, und der Auspuffkanal enthält ein Auspuffventil. Dichtungen 30 sind zwischen der Oberfläche des Zylinderkopfes 7, welcher den Hohlraum 9 bildet, und einer Außenfläche der Brennkammerstruktur 3 eingelegt, und eine wärmeisolierende Luftschicht 26 ist in dem gleichen Raum gebildet, wobei die Hauptkammer 1 wärmeisolierend aufgebaut ist. Eine Dichtung 31 ist zwischen den Kolbenkopf 16 und den Kolbenmantel 17 eingelegt, und eine wärmeisolierende Luftschicht 27 ist zwischen dem Kolbenkopf 16 und dem Kolbenmantel 17 ausgebildet, wobei die Wirbelkammer 2, die aus dem im Kolbenkopf 16 vorgesehenen Hohlraum 19 besteht, wärmeisolierend aufgebaut ist. Die Dichtungen 30,31 können die Funktionen der Abdichtung der Wärmeisolierung erfüllen.
Die Kraftstoffeinspritzdüse 6 ist im Zylinderkopf 7 so vorgesehen, daß sie einen schwerverdampfbaren Kraftstoff, wie Schweröl, in den Zylinder 8 einspritzt und einen Zündkraftstoff in die Wirbelkammer 2 durch den Kraftstoffeinspritzkanal 13. Dieser Dieselmotor hat Sensoren, wie einen Belastungssensor 28 zum Messen der Kraftstoffzuführmenge und zum Erfassen der Motorbelastung sowie einen Drehzahlsensor 29 zum · Erfassen der Drehzahl des Motors. Eine Steuereinheit 20 ist so ausgebildet, daß sie von diesen verschiedenen Sensorenarten erfaßte Signale empfängt, die Zufuhr eines geeigneten Kraftstoffs entsprechend dem Betriebszustand des Motors zur Hauptkammer 1 bewirkt, die Kraftstoffeinspritzzeit in Abhängigkeit von den erfaßten Signalen steuert und den Kraftstoffwirkungsgrad verbessert. Die Kraftstoffeinspritzdüse 6 weist eine elektromagnetische Antriebseinheit 35 auf, die beispielsweise durch elektromagnetische Kraft geöffnet und geschlossen wird und so ausgebildet ist, daß die Kraftstoffeinspritzzeit durch die Steuereinheit 20 zur Motorstartzeit und während eines stetigen Betriebs des Motors oder entsprechend der Temperatur in der Brennkammer, der Motorbelastung und der Drehzahl des Motors unterschiedlich bestimmt wird.
Die Brennkammerstruktur 3, eine Wandstruktur zur Bildung der Hauptkammer 1 und der Zylindermantel 32 und der Kolbenkopf 16 sind aus Keramikmaterial gebildet, wie Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid, das einen hohen Wärmewiderstand hat. Auch wenn daher die Gastemperatur in der letzten Hälfte einer Verbrennungsperiode hoch wird, hat jedes Bauteil einen ausreichenden Wärmewiderstand und ausreichende Hochtemperaturfestigkeit sowie eine niedrige Ausgaberate von unverbranntem Wasserstoffkarbid HC, und dies ermöglicht die Bildung eines Motors mit einem hohen Wirkungsgrad.
Bei diesem Dieselmotor mit dem oben beschriebenen Aufbau steuert die Steuereinheit 20 die Einspritzung eines schwerverdampfbaren Kraftstoffs aus der Kraftstoffeinspritzdüse 6 in den Zylinder 8 in der ersten Hälfte eines Kompressionshubes sowie die Zündung und Verbrennung des Kraftstoffs in der Wirbelkammer 2 am Ende des Kompressionshubs, an dem die Glühkerze 4 durch die Kerzeneinsatzbohrung 10 in die Wirbelkammer 2 geschoben worden ist. Die bei geöffnetem Ansaugventil 21 aus den Ansaugkanälen 22,25 in den Zylinder 8 eingeleitete Ansaugluft bildet bei ihrer Strömung Wirbel, d. h. Luftströmungen S im Zylinder 8, und die Einspritzung des zerstäubten Kraftstoffs F aus der Kraftstoffeinspritzdüse 6 erfolgt in die Luftströmungen S. wenn der Kolben sich nahe dem unteren Totpunkt in einem Anfangsteil des Kompressionshubes befindet. Diese Einspritzung wird so ausgeführt, daß der Kraftstoff in großen Mengen in einen Bereich dispergiert wird, in welchem die Luftströmungen S aktiv auftreten, und dies ermöglicht die Bildung eines gleichförmigen Gasgemischs im ganzen Innenraum des Zylinders 8. Während eines Kompressionshubes wird der Kolben 5 nach oben bewegt, und die Luft im Zylinder wird komprimiert, wodurch ein Temperaturanstieg derselben erfolgt. Die Vergasung des Kraftstoffs wird gefördert und der Kraftstoff wird im wesentlichen gleichförmig in den Luftströmungen S dispergiert, um eine Gasmischung zu bilden. Diese Gasmischung tritt in die Wirbelkammer 2 durch die Verbindungskanäle 15 und die Kerzeneinsatzbohrung 10 ein, und der Mischvorgang wird in der Wirbelkammer 2 gefördert. Die Vermischung wird in der Wirbelkammer 2 weiter fortgesetzt und die Gasmischung wird mit Unterstützung der Glühkerze 4 zuverlässig gezündet und verbrannt, wenn der Kolben sich nahe dem Ende des Kompressionshubes befindet.
Die Steuereinheit oder Steuereinrichtung 20 ist auch geeignet, in Abhängigkeit von einer Teilbelastung des Motors die Einspritzung eines Zündkraftstoffs aus der Kraftstoffeinspritzdüse 6 in die Wirbelkammer 2 durch den Kraftstoffeinspritzkanal 13 im Kolben 5 zu steuern. Dementsprechend wird ein schwerverdampfbarer Kraftstoff, wie Schweröl, aus der Kraftstoffeinspritzdüse 6 in den Zylinder 8 eingespritzt und in diesem in der ersten Hälfte des Kompressionshubes in Abhängigkeit von einer Teilbelastung des Motors und durch einen Befehl aus der Steuereinrichtung 20 dispergiert, und eine sehr kleine Menge von Zündkraftstoff wird sodann in die Wirbelkammer 2 durch den Kraftstoffeinspritzkanal 13 zwecks Zündung des Gasgemischs eingespritzt, wenn der Kolben nahe dem oberen Totpunkt des Kompressionshubes ist. Bei dieser Ausführungsform kann der Kraftstoffeinspritzkanal 13 ein kleiner Kanal mit etwa einigen Millimetern Durchmesser sein. Die Kraftstoffeinspritzdüse 6 ist so ausgebildet, daß sie eine einzige Öffnung besitzt, so daß der Kraftstoff in die Wirbelkammer 2 durch den Kraftstoffeinspritzkanal 13 eingespritzt werden kann.
Eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen, einen schwerverdampfbaren Kraftstoff verwendenden Dieselmotors wird nachfolgend mit Bezugnahme auf die Fig. 4, 5 und 6 beschrieben.
Beim Dieselmotor gemäß dieser zweiten Ausführungsform ist ein Zylinderkopf 47 an einem Zylinderblock 54 über eine Dichtung 63 befestigt, und eine Brennkammerstruktur 43, die eine Hauptkammer 41 mit wärmeisolierendem Aufbau bildet, ist in einem Hohlraum 49 im Zylinderkopf 47 vorgesehen. Dieser Dieselmotor hat einen Zylindermantel 72, welcher einen Zylinder 48 bildet, der in eine Bohrung 73 im Zylinderblock 54 eingepaßt ist, sowie einen Kolben 45, der sich in dem durch den Zylindermantel 72 und der Brennkammerstruktur 43 gebildeten Zylinder 48 hin- und herbewegt. Im Zylinderkopf 47 ist eine Kraftstoffeinspritzdüse 46 zum Einspritzen von Kraftstoff in die Hauptkammer 41 vorgesehen. Die Brennkammerstruktur 43 ist mit einem nach unten divergierenden Kanal 44 versehen, der im wesentlichen koaxial zur Hauptkammer 43 liegt.
Der Kolben 45 weist einen Kolbenkopf 56 aus Keramikmaterial, wie Siliziumnitrid mit hohem Wärmewiderstand, auf, um eine Brennkammer 1 mit wärmeisolierendem Aufbau mit der Brennkammerstruktur 43 und einem Kolbenmantel 57 zu bilden, der am Kolbenkopf 56 über einen Verbindungsring 64 durch Fließmetall festgelegt ist. Der Kolbenkopf 56 ist mit einem Hohlraum 59 versehen, der eine Wirbelkammer 42 bildet. Der Kolbenkopf 56 ist ferner mit Verbindungskanälen 55, welche die Hauptkammer 41 und die Wirbelkammer 42 miteinander verbinden, sowie einem Kraftstoffeinspritzkanal 53 versehen, der im wesentlichen im Mittelteil des Kolbens 45 ausgebildet und in der Lage ist, einen Kraftstoff in die Wirbelkammer 42 einzuspritzen. Wie in Fig. 5 gezeigt, sind mehrere Verbindungskanäle 55 vorgesehen, so daß sie in Umfangsabständen in eine obere Fläche 58 des Kolbenkopfes 56 münden. Der Kraftstoffeinspritzkanal 43 wird durch eine gekrümmte oder sich verjüngende Oberfläche so gebildet, daß er sich nach unten konvergierend erstreckt, so daß die Querschnittsfläche dieses Kanals 53 von der oberen Fläche 58 des Kolbenkopfes 56 zur Wirbelkammer 42 hin allmählich abnimmt.
Die Brennkammerstruktur 43 ist ein Kopfmantel, der aus einem oberen Mantelteil 52, welcher einen Teil des Zylinders 48 bildet, und einem unteren Kopfteil 51 besteht. Der untere Kopfteil 51 ist mit Ansaug- und Auspuffkanal 62 versehen (es ist nur der Ansaugkanal dargestellt). Der Ansaugkanal 62 steht mit einem Ansaugkanal 65 im Zylinderkopf 47 in Verbindung, und der (nicht gezeigte) Auspuffkanal im unteren Kopfteil 51 steht mit einem Auspuffkanal im Zylinderkopf 47 in Verbindung. Der Ansaugkanal 62 ist mit einem Ansaugventil 61 und der Auspuffkanal mit einem Auspuffventil versehen. Dichtungen 70 sind zwischen der Oberfläche des Zylinderkopfes 47, welche den Hohlraum 49 begrenzt, und einer Außenfläche der Brennkammerstruktur 43 vorgesehen, und eine wärmeisolierende Luftschicht 66 ist in demselben Raum gebildet, wobei die Brennkammer 1 mit einem wärmeisolierenden Aufbau gebildet ist. Eine Dichtung 71 ist zwischen den Kolbenkopf 56 und den Kolbenmantel 57 eingelegt, und eine wärmeisolierende Luftschicht 67 ist zwischen dem Kolbenkopf 56 und dem Kolbenmantel 57 gebildet, wobei die aus dem Hohlraum 59 bestehende Wirbelkammer 42 im Kolbenkopf 56 mit wärmeisolierendem Aufbau gebildet ist. Die Dichtungen 70,71 erfüllen die Funktionen der Abdichtung und der Wärmeisolierung.
Die Kraftstoffeinspritzdüse 46 ist im Zylinderkopf 47 so vorgesehen, daß ein schwerverdampfbarer Kraftstoff, wie Schweröl, in den Zylinder 48 und ein Zündkraftstoff in die Wirbelkammer 42 durch den Kraftstoffeinspritzkanal 53 eingespritzt wird. Die Brennkammerstrutkur 43, ein die Hauptkammer 41 bildendender Wandkörper, der Zylindermantel 72 und der Kolbenkopf 56 sind aus einem keramischen Material gebildet, wie Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid, die einen hohen Wärmewiderstand besitzen. Auch wenn daher die Gastemperatur in der späteren Hälfte einer Brennperiode hoch wird, hat jedes Bauteil einen ausreichend hohen Wärmewiderstand und Hochtemperaturbeständigkeit sowie eine niedrige Abgaberate von unverbranntem Wasserstoffkarbid HC, und dies ermöglicht die Ausbildung eines Motors mit hohem Wirkungsgrad.
Die Kraftstoffeinspritzdüse 46 ist so ausgebildet, daß sie z. B. einen einzigen Einspritzkanal besitzt und geeignet ist, einen schwerverdampfbaren Kraftstoff in einem konisch diffundierten Zustand in den Zylinder 48 gegen den gesamten Bereich der oberen Fläche 58 des Kolbens einzuspritzen. Dementsprechend wird der Kraftstoffeinspritzkanal 53 im wesentlichen im Mittelteil des Kolbens 45 gebildet und durch eine gekrümmte oder sich verjüngende Oberfläche begrenzt, so daß die Querschnittsfläche des Kanals 53 von einer oberen Fläche 58 des Kolbens zur Wirbelkammer 42 hin allmählich kleiner wird, um eine Zündung von schwerverdampfbarem Kraftstoff zu ermöglichen, welcher aus der Kraftstoffeinspritzdüse 46 eingespritzt wird, um glatt in die Wirbelkammer durch den Kraftstoffeinspritzkanal 53 eingeleitet zu werden.
Dementsprechend wird der eingespritzte zerstäubte Kraftstoff F, dessen Menge nicht weniger als 50% des insgesamt eingespritzten Kraftstoffs beträgt, aus der Kraftstoffeinspritzdüse 46 in den Zylinder 48 in einem Anfangszustand des Kompressionshubes aus der Mitte des Zylinders 48 gegen den Umfang der oberen Fläche 58 des Kolbens diffundiert, und der restliche durch Zündung zerstäubte Kraftstoff, der eingespritzt wird, wenn der Kolben sich nahe dem Ende des Kompressionshubes befindet, wird im Kraftstoffeinspritzkanal 53 gesammelt, nimmt Wärme aus der Wandfläche dieses Kanals 53 auf und wird in die Wirbelkammer 42 eingespritzt.
Bei diesem in der oben beschriebenen Weise aufgebauten, schwerverdampfbaren Kraftstoff verwendenden Dieselmotor strömt die Ansaugluft, die eingeleitet wird, wenn das Ansaugventil geöffnet ist, aus den Ansaugkanälen 62,65 ins Innere des Zylinders 48 derart, daß ein Wirbel erzeugt wird, d. h. eine Luftströmung S im Zylinder 48, wie in Fig. 6 gezeigt. In der ersten Hälfte eines Kompressionshubes, der unmittelbar nach Beendigung eines Saughubes erfolgt, wird der zerstäubte Kraftstoff F aus der Kraftstoffeinspritzdüse 46 konisch verbreitert in die Luftströmung S im Zylinder 48 derart eingespritzt, daß der schwerverdampfbare Kraftstoff in die Luftströmung S in der Anfangsstufe eines Kompressionshubes dispergiert wird, in welchem sich der Kolben nahe dem unteren Totpunkt befindet. Beim Kompressionshub wird der Kolben 45 angehoben und die Luft im Zylinder wird komprimiert, um einen Temperaturanstieg der Luft zu bewirken. Dementsprechend wird eine Vergasung des Kraftstoffs gefördert und der Kraftstoff in der Luftströmung wird in dieselbe im wesentlichen gleichförmig dispergiert, um eine Gasmischung zu bilden, welche im ganzen Innenraum des Zylinders 48 im wesentlichen gleichförmig ist. Gemäß der Aufwärtsbewegung des Kolbens im Kompressionshub tritt das Gasgemisch im Zylinder 48 in die Wirbelkammer 42 durch die Verbindungskanäle 55 und den Kraftstoffeinspritzkanal 53 ein und seine Vermischung wird in der Wirbelkammer 42 gefördert. Ein Zündkraftstoff wird sodann aus der Kraftstoffeinspritzdüse 46 in die Wirbelkammer 42 durch den Kraftstoffeinspritzkanal 53 am Ende des Kompressionshubes eingespritzt und darin gezündet und verbrannt.
Während dieser Zeit wird der aus der Kraftstoffeinspritzdüse 46 eingespritzte Kraftstoff vorübergehend in einen diffundierten Zustand gebracht, wie in Fig. 4 gezeigt, und unmittelbar danach durch eine Kondensierungsstufe gesammelt, während er Wärme aus der Wandfläche aufnimmt, wobei der Kraftstoff sodann in die Wirbelkammer 42 eingespritzt wird, um sich in ein reiches oder fettes Gasgemisch umzuwandeln, das zur Zündung geeignet ist, und welches sodann gezündet und verbrannt wird. Das gleichförmige Gasgemisch in der Wirbelkammer 42 fängt die Flammen auf, und die Flammen pflanzen sich fort, um das Gasgemisch in einem Hub zu verbrennen. Der Hub des Kolbens wird sodann in einen Expansionshub übergeleitet, und die Flammen werden aus der Wirbelkammer 42 gegen den Umfang des Zylinders der Hauptkammer 41 durch die Verbindungskanäle 55 ausgestoßen, um das magere Gasgemisch in der Hauptkammer 41 in einem Hub zu verbrennen. So wird die Sekundärverbrennung in kurzer Zeit beendet und der Wärmewirkungsgrad wird bei minimaler Erzeugung von Ruß und NOx verbessert.
Eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen, einen schwerverdampfbaren Kraftstoff verwendenden Dieselmotors wird nunmehr mit Bezugnahme auf Fig. 7 beschrieben. Da die dritte Ausführungsform den gleichen Aufbau und die gleiche Funktion hat wie die oben beschriebenen Ausführungsformen mit der Ausnahme, daß die Ausbildung eines Kraftstoffeinspritzkanals 53 im Kolben 45 anders ist, sind die gleichen Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und eine nochmalige Beschreibung derselben wird weggelassen. Die Wandfläche des Kraftstoffeinspritzkanals 53 im Kolben 45 ist mit einer zündungsfördernden Katalysatorschicht 50 aus Platin (Pt), Nickel (Ni) oder Cäsium (Cs) versehen. Dementsprechend wird ein schwerverdampfbarer Kraftstoff, der in Kontakt mit der zündungsfördernden Katalysatorschicht 50 an der Wandfläche des Kraftstoffeinspritzkanals 53 gebracht und in eine Wirbelkammer 42 geleitet wird, aktiviert und in einen leicht zündbaren Zustand gebracht, auch wenn die Temperatur niedrig ist, bei der der Motor teilweise belastet ist. Daher wird der Kraftstoff zuverlässig gezündet und verbrannt und eine Fehlzündung kann verhindert werden.

Claims

1. Dieselmotor oder Dieselbrennkraftmaschine mit schwerverdampfbarem Kraftstoff, welcher bzw. welche aufweist:

einen Zylinderkopf (7), der an einem einen Zylinder (8) bildenden Zylinderblock (14) befestigt ist,

eine Brennkammerstruktur (3), welche eine wärmeisolierende Hauptkammer (1) bildet, die in einem im Zylinderkopf (7) gebildeten Hohlraum (9) vorgesehen ist, Ventile (21) zum Öffnen und Schließen von Kanälen (22, 25), die im Zylinderkopf (7) ausgebildet sind,

eine Kraftstoffeinspritzdüse (6), die im Zylinderkopf (7) vorgesehen ist, und

einen Kolben (5), der im Zylinder (8) hin- und herbewegbar ist, eine wärmeisolierende Wirbelkammer (2) enthält und mit Verbindungskanälen (15) versehen ist, durch die die Hauptkammer (1) und die Wirbelkammer (2) miteinander in Verbindung stehen,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Kraftstoffeinspritzdüse (6) geeignet ist, einen schwerverdampfbaren Kraftstoff in den Zylinder (8) einzuspritzen,

eine Glühkerze (4) im Zylinderkopf (7) vorgesehen ist,

der Kolben (5) mit einer Kerzeneinsatzbohrung (10) versehen ist, durch welche die Glühkerze (4) in die Wirbelkammer (2) geschoben wird, wenn der Kolben sich in der Umgebung des oberen Totpunktes befindet;

und daß sie ferner aufweisen:

eine Steuereinrichtung (20), welche geeignet ist, das Einspritzen des schwerverdampfbaren Kraftstoffs aus der Kraftstoffeinspritzdüse (6) in die Hauptkammer (1) in der ersten Hälfte eines Kompressionshubes und das Einspritzen eines Teils des Kraftstoffes in die Wirbelkammer (2) am Ende des Kompressionshubes, in welchem die Glühkerze (4) in die Wirbelkammer (2) durch die Kerzeneinsatzbohrung (10) geschoben wird, zu steuern, wodurch der Kraftstoff gezündet und in der Wirbelkammer (2) verbrannt wird.

2. Dieselmotor nach Anspruch 1, bei welchem die aus den Kanälen (22, 25) in den Zylinder (8) eingeleitete Ansaugluft in demselben einen Wirbel bildet.

3. Dieselmotor nach Anspruch 1, bei welchem das Einspritzen des zerstäubten Kraftstoffs aus der Kraftstoffeinspritzdüse (6) in den Zylinder (8) diagonal von der Mitte des Zylinders zum Umfang desselben erfolgt, wobei der Kraftstoff in einen äußeren Umfangsabschnitt eines im Zylinder (8) gebildeten Wirbels dispergiert wird.

4. Dieselmotor nach Anspruch 1, bei welchem die Steuereinrichtung (20) geeignet ist, das Einspritzen eines Zündkraftstoffs aus der Kraftstoffeinspritzdüse (6) in die Wirbelkammer (2) durch einen im Kolben (5) gebildeten Kraftstoffeinspritzkanal (13) in der zweiten Hälfte des Kompressionshubes in Abhängigkeit vom Belastungszustand des Motors zu steuern.

5. Dieselmotor nach Anspruch 1, bei welchem der Motor oder die Maschine auf ein eingebautes kombiniertes System (cogeneration system) angewendet ist.

6. Dieselmotor oder Dieselbrennkraftmaschine, die einen schwerverdampfbaren Kraftstoff verwenden, mit einem Zylinderkopf (47), der an einem einen Zylinder (48) bildenden Zylinderblock (54) befestigt ist, eine Brennkammerstruktur (43), die eine wärmeisolierende Hauptkammer (41) in einem im Zylinderkopf (47) gebildeten Hohlraum (49) bildet, Ventile (61) zum Öffnen und Schließen von Kanälen (62, 65) in dem Zylinderkopf (47)

einen im Zylinder (48) hin- und herbewegbaren Kolben (45), der eine Wirbelkammer (42) mit wärmeisolierender Struktur enthält,

Verbindungskanäle (55), welche die Hauptkammer (41) und die Wirbelkammer (42) miteinander verbinden und in Umfangsabständen in dem Kolben (45) ausgebildet sind, einen Kraftstoffeinspritzkanal (53) im wesentlichen im Mittelteil des Kolbens (45) und

eine Kraftstoffeinspritzdüse (46) im Zylinderkopf (47),

dadurch gekennzeichnet, daß

die Querschnittsfläche des Kraftstoffeinspritzkanals (53) von einer oberen Fläche (58) des Kolbens zur Wirbelkammer (42) hin allmählich abnimmt und

die Kraftstoffeinspritzdüse (46) geeignet ist, den schwerverdampfbaren Kraftstoff in einem diffundierten Zustand in den Zylinder (48) in der ersten Hälfte eines Kompressionshubes und einen schwerverdampfbaren Zündkraftstoff in die Wirbelkammer (42) durch den Kraftstoffeinspritzkanal (53) in der zweiten Hälfte des Kompressionshubes einzuspritzen.

7. Dieselmotor nach Anspruch 6, bei welchem der Kraftstoffeinspritzkanal (53) auf einer Wandfläche desselben mit einer zündungsfördernden Katalysatorschicht (50) aus Pt, Ni oder Cs versehen ist.

8. Dieselmotor nach Anspruch 6, bei welchem die aus den Kanälen (62, 65) in den Zylinder (48) eingeleitete Ansaugluft in demselben einen Wirbel bildet.

9. Dieselmotor nach Anspruch 6, bei welchem der Kraftstoff, von dem nicht weniger als 50% der Gesamtmenge desselben aus der Kraftstoffeinspritzdüse (46) in den Zylinder (48) am Beginn eines Kompressionshubes eingespritzt wird, in einem diffundierten Zustand von der Mitte des Zylinders (48) gegen einen Umfang einer oberen Fläche des Kolbens eingespritzt wird, wobei der restliche, am Ende des Kompressionshubes eingespritze zerstäubte Zündkraftstoff in dem Kraftstoffeinspritzkanal (53) gesammelt wird, Wärme von der Wandfläche des Kraftstoffeinspritzkanals (53) aufnimmt und in die Wirbelkammer eingespritzt wird.

10. Dieselmotor nach Anspruch 6, bei welchem der Motor oder die Maschine auf eine eingebaute kombinierte Maschine (cogeneration engine) angewendet ist.