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1. Gebiet
der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft eine direkteingespritzte
Brennkraftmaschine mit Verdichtungsentflammzyklus, umfassend eine
Brennkammer mit variablem Volumen, definiert durch einen Kolben,
der sich in einem geschlossenen Zylinder hin und her bewegt.
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2. Verwandte
Technik
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Eine Kolbenanordnung zum Erzielen
einer besseren Kontrolle über
die Entflammungs- und Verbrennungsmerkmale einer Brennstoffladung
in einer Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Erzielen einer
solchen kontrollierten Entflammung und Verbrennung durch das Erzeugen
und Steuern von Brennstoff-Radikalspezies
innerhalb der Brennkammer einer solchen Maschine ist im U.S.-Patent
Nr. 4,898,135, erteilt am 6. Februar 1990, beschrieben. Gemäß dem Patent
umfasst ein Kolben für
eine Brennkraftmaschine, die durch Funken oder Verdichtung entflammt
werden kann, eine zentrale Vertiefung zur Aufnahme des Großteils jeder
Ladung während
jedes Verbrennungszyklus der Maschine und eine der Vertiefung benachbarte
Reaktionskammer zur Aufnahme eines Teils des Brennstoffs und der Luft
jeder Ladung. Während
jedes Verbrennungszyklus macht der Teil der Ladung, der in der Brennkammer
vorhanden ist, eine kühle
Flammoxidationsreaktion durch, um Brennstoffradikale und Zwischensorten
zu produzieren, die in einem nächsten
darauf folgenden Verbrennungszyklus entladen werden, um die nächste in
die Brennkammer eingelassene Ladung einzuimpfen.
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Gemäß den Lehren des vorgenannten
Patents erfordert das Erzeugen und Steuern der Brennstoffradikalen
Kontrolle über
die Art und Weise, wie der Brennstoff und die Luft jeder Ladung
in die Brennkamme eingelassen werden und ebenfalls über die Art
und Weise, wie die Ausgasung von der Reaktionskammer in den Verbrennungsbereich
erfolgt. Gemäß Patent
4,898,135 ist eine durchgehende Schlitzöffnung bereit gestellt, um
hauptsächlich
Brennstoff und Luft unter gedrosselten Flussbedingungen während des
Verdichtungsereignisses jedes Verbrennungszyklus in die Brennkammer
aufzunehmen und die Ausgasung von der Kammer in die Hauptbrennkammer
ebenfalls unter gedrosselten Flussbedingungen zu ermöglichen,
wobei ein Vorrat von Brennstoffradikalspezies während jedes Verbrennungszyklus
zur Verwendung im nächsten
Verbrennungszyklus erhalten bleibt infolge der Zeitverzögerung bei
der Ausgasung der Reaktionskammer. Optional, gemäß den Lehren des früheren Patents
4,898,135 können auch
eine oder mehrere getrennte Öffnungen
bereit gestellt werden, um für
die Kommunikation zwischen der Kolbenvertiefung und dem Reaktionskammer
zu sorgen, um eine bessere Kontrolle über das Einlassen des Brennstoffs
in die Reaktionskammer zu erzielen.
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Bezüglich einer vollständigen Beschreibung der
Vorteile, die die oben beschrieben bene Kolbenkonfiguration bietet,
und einer vollständigeren
Erklärung
der Art und Weise, wie Brennstoffradikalspezies erzeugt und gesteuert
werden in Übereinstimmung mit
einem Kolben der eine Konfiguration wie oben beschrieben hat, sind
Referenzen in der schriftlichen Beschreibung und den Zeichnungen
von Patent 4,898,135 zu finden. Im Wesentlichen beschreibt das Patent
die An und Weise, wie kontrolliertes Einimpfen einer Brennstoffladung
vor dem Entflammen in einer Brennkraftmaschine genutzt werden kann,
um eine zuverlässige
und vorhersehbare Entflammung zu produzieren, die andernfalls je
nach Art der verwendeten Maschinenart als schwierig zu entflammen ohne
Entflammverbesserer betrachtet würde
oder unter bestimmten Betriebsbedingungen der Maschine Klopfen ausgesetzt
wäre. Das
Erzeugen und Steuern des Vorrats von Radikalen in der Brennkammer
zum Erzielen der anerkannten Vorteile des Einimpfens einer Brennstoffladung
mit solchen Radikalen beinhaltet die Verwendung einer Reaktionskammer
neben einer Kolbenvertiefung mit einem System, das kontrollierte
Kommunikation zwischen der Hauptbrennkammer der Maschine und der
Reaktionskammer bereit stellt.
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In einer Verbesserung zu dem in U.S.-Patent Nr.
4,898,135 beschriebenen System Mund Verfahren wurde die durchgehende
Schlitzöffnung
weggelassen zugunsten von mindestens einer getrennten Öffnung,
die dafür
gedacht ist, hauptsächlich
das Einlassen des Brennstoffanteils jeder Ladung in die Reaktionskammer
und mindestens eine separate getrennte Öffnung zu kontrollieren, die
sich getrennt von der ersten getrennte Öffnung befindet und angeordnet
ist um das Einlassen von hauptsächlich
Luft in die Reaktionskammer zu kontrollieren. Diese Verbesserung
ist in U.S.-Patent Nr. 5,322,042, erteilt am 21. Januar 1994, beschrieben.
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Im Wesentlichen gemäß U.S. Patent
Nr. 5,322,042 ist die sich axial erstreckende Seitenwand der Kolbenvertiefung ähnlich der
in U.S. Patent Nr. 4,898,135 beschriebenen mit mindestens einer
getrennten Öffnung
versehen, die dafür
gedacht ist, das Einlassen von hauptsächlich Brennstoff in die Reaktionskammer
während
jedes Verbrennungszyklus zu kontrollieren, und mindestens eine separate
physisch abgesonderte getrennte Öffnung
vorgesehen ist, um das Einlassen von hauptsächlich Luft in die Reaktionskammer
zu kontrollieren. Durch Konfigurieren der Öffnungen und Anpassen ihrer
Lage, um den Flüssigkeitskreislauf
und die Wärmeübertragungsbedingungen
innerhalb der Reaktionskammer zu optimieren, wird das Erzeugen von
Brennstoffradikalspezies erzielt. In ähnlicher Weise wird die Ausgasung
der Radikalspezies in die Hauptbrennkammer während eines darauf folgenden
Verbrennungszyklus (d. h., während
des Ansaugens) ebenfalls in einer kontrollierteren Weise erzielt,
da die Lage der Öffnungen zum
Einspritzen der Radikalspezies in den Hauptverbrennungsbereich beiträgt.
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Es ist unlängst festgestellt worden, dass
die deutliche Reduzierung von Ruß (hauptsächlich Kohlenstoff, der Teilchen
enthält,
die aus der teilweisen Verbrennung von Brennstoff resultieren),
der während
der Verbrennung in solchen Brennkammern in einer Maschine nach dem
Dieselverfahren erzielt werden kann, wenn eine oder mehrere Öffnungen
in Kommunikation mit der Reaktionskammer entlang der axialen Wand
liegen, die die Kolbenvertiefung definiert, um die Entladung von
Radikalspezies von der Reaktionskammer in eine Rußwolke in
der Vertiefung, die während
des Verbrennungsteils jedes Verbrennungszyklus gebildet wird, zu
bewerkstelligen.
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Gemäß der Erfindung liegt mindestens
eine getrennte Öffnung,
die für
die Kommunikation zwischen der Brennkammer und der Reaktionskammer sorgt,
senkrecht entlang der axial verlaufenden Seitenwand der Kolbenvertiefung,
um eine Hochgeschwindigkeitsentladung von Reaktionsprodukten aus
der Reaktionskammer in einen zentralen Teil einer typischen Rußwolke,
die während
jedes Verbrennungszyklus in der Kolbenvertiefung gebildet wird,
zu bewerkstelligen. Die Rußwolke
resultiert aus der Verbrennung von vernebeltem Brennstoff, der in
einem Sprühmuster
durch einen Brennstoffeinspritzer entladen wird, der Auslassöffnungen
hat, die in oder neben der Kolbenvertiefung liegen. Die Rußwolke strömt während der Verbrennung
des eingespritzten Brennstoffnebels axial und radial vom Brennstoffeinspritzer
nach außen
und wird in unterschiedlichen Graden während jedes Verbrennungszyklus
durch den Verbrennungsprozess verbraucht. Wie gut bekannt ist, ist
je nach den Bedingungen, die während jedes
Verbrennungszyklus in der Brennkammer stattfinden, eine vollständige Verbrennung
nicht immer möglich
und ist es sehr wünschenswert,
so viel Ruß und
unverbrannte Kohlenwasserstoffelemente wie möglich zu eliminieren, um die
Entladung von Ruß in den
Abgasstrom einer direkteingespritzten Dieselmaschine zu vermeiden.
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Durch Entladen des Hochgeschwindigkeitsstroms
von Reaktionsprodukten aus der Reaktionskammer in den zentralen
Teil der Rußwolke
im Kolbenvertiefungsbereich während
jedes Verbrennungszyklus, typischerweise während des Verbrennungs-/Expansionsteils
des Zyklus, tragen die Reaktionsprodukte dazu bei, die Verbrennung
des noch unreagierten Kohlenwasserstoffs zu vollenden, um dadurch
Ruß im
Abgasstrom von der Brennkammer zu reduzieren.
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Eine vollständigere Beschreibung der Erfindung
ist im Folgenden bereit gestellt, in Verbindung mit den anhängenden
Zeichnungen.
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Kurzdarstellung
der Zeichnungen
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1 und 2 zeigen den Stand der Technik direkteingespritzter
Brennkammern für
Dieselbrennkraftmaschinen mit Hubkolben, die vertiefte Kolbenkammern
für die
Aufnahme von vernebeltem eingespritztem Brennstoff haben;
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3 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfinden;
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4 zeigt
eine alternative Brennkammerkonfiguration; und
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5 zeigt
eine Draufsicht einer Kolbenkrone, die mehrere Reaktionskammern,
konstruiert gemäß der Erfindung,
zeigt.
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Ausführliche Darstellung bevorzugter
Ausführungsformen
der Erfindung
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1 veranschaulicht
schematisch im Querschnitt eine Seitenrissansicht einer direkteingespritzten,
verdichtungsentflammten (Diesel) Bremskraftmaschine 10,
konstruiert gemäß U.S.-Patent
Nr. 4,898,135.
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Maschine 10 umfasst einen
Zylinder 12, in welchem ein Hubkolben 14, verbunden
mit einer Ausgangskurbelwelle (nicht dargestellt) über Verbindungsstange 16,
befestigt an Kolbenstange 14 durch Schwingzapfen oder Dorn 18 sich
axial zwischen unterem und oberem Totpunkt (UT-OT) gemäß gut bekannten
Prinzipien hin und her bewegt, um eine Brennkammer von variablem
Volumen zwischen der Oberseite des Kolbens und dem Kopf 20 der
Maschine zu schaffen.
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Der Kolben 14 ist am oberen
Totpunkt in 1 gezeigt,
zu welchem Zeitpunkt die herkömmlichen
Einlass- und Auslassventile 22, 24, die für die Kommunikation
zwischen Einlass- und Auslassanschlüssen 26, 28 und
der Brennkammer, allgemein bezeichnet mit 20, geschlossen
sind. Die Ventile 22, 24 werden typischerweise
durch ein beliebiges konventionelles System betätigt, das allgemein für solche
Zwecke in der Technologie von Brennkraftmaschinen verwendet wird,
so dass synchronisiertes Öffnen
und Schließen
der Ventile 22, 24 zumindest ermöglicht,
dass Luft in die Brennkammer durch Luftfilter A und Einlassanschluss 26 eingelassen
und während
des Einlass- und Verdichtungsteils des Verbrennungszyklus verdichtet
wird.
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Brennstoff wird mittels direktem,
zeitlich abgestimmtem Einspritzen durch Brennstoffeinspritzer 32 eingelassen.
Dann erfolgen Verdichtung, Verbrennung und Expansion einer Ladung
in der Brennkammer, und Verbrennungsprodukte werden durch Ablassanschluss 28 während des
Ablassteils eines Verbrennungszyklus der Maschine entladen.
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Wie oben erwähnt wird Brennstoff direkt
in die Brennkammer eingespritzt durch eine Brennstoffeinspritzdüse 32,
die Brennstoff von einer Zufuhr 34 über ein Einspritzpumpensystem 36 unter
der Kontrolle einer Maschinendrehzahlkontrolle (d. h., Gaspedal 38)
durch ein Kontrollmodul 40 erhält, so dass vernebelter Brennstoff
in einem Sprühmuster
in die Brennkammer eingespritzt wird, wenn der Kolben 14 sich
dem oberen Totpunkt während
des Verdichtungsteils des Verbrennungszyklus nähert.
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In dem Verdichtungsentflammsystem,
das in 1 dargestellt
ist, wird die Verbrennung der Ladung nur dadurch eingeleitet, dass
die Ladung erhöhten
Druck- und Temperaturbedingungen
ausgesetzt ist, wobei Spontanes Entflammen einer Ladung zu einem
gewünschten
Zeitpunkt erfolgt. In typischer Weise wird eine Glühkerze (nicht
dargestellt) verwendet, um die Verbrennung während des Starts der Maschine
einzuleiten.
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Für
eine weitere Beschreibung des in 1 dargestellten
Systems kann auf U.S.-Patent Nr. 4,898,135 verwiesen werden.
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Gemäß dem in 1 dargestellten System nach dem Stand
der Technik wird während
jedes Verbrennungszyklus ein Teil des Brennstoffs und der Luft jeder
Ladung in eine Brennkammer 44, die im Allgemeinen ringförmig oder
krummlinig im Querschnitt ist, über
eine durchgehende Schlitzöffnung 46 und
optional durch getrennte Öffnungen 48 eingelassen.
Beachtenswert ist, dass sowohl der durchgehende Schlitz 46 als
auch die Öffnungen 48 dafür gedacht sind,
Brennstoff direkt zu empfangen und keine Öffnung so angeordnet ist, dass
sie hauptsächlich
nur Luft von der Hauptbrennkammer erhält. Der Brennstoff und die
Luft in Reaktionskammer 44 wird während jedes Verbrennungszyklus
teilweise reagiert, um Radikalspezies und Zwischenprodukte des Brennstoffs
und Sauerstoffs („Brennstoffi-adikalspezies") zu produzieren,
die in dem nächsten
darauf folgenden Verbrennungszyklus zum Einimpfen der nächsten ankommenden
Ladung verwendet werden, um dadurch die nächste Ladung für die Erzielung
der gewünschten
Entflamm- und Wärmefreigabemerkmale
während
des nächsten
Verbrennungszyklus zu konditionieren. Es kann verwiesen werden auf
das oben genannte U.S.-Patent Nr. 4,898,135 zwecks einer vollständigeren
Beschreibung des Erzeugens und Steuerns von Radikalbrennstoffspezies
gemäß der Brennkammerkonfiguration,
dargestellt in 1.
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In Fortsetzung der Beschreibung der
Ausführungsform
nach dem Stand der Technik von 1 ist der
Kolben 14 mit einer Vertiefung 42 in seinem Kronenbereich
versehen, die dafür
gedacht ist, einen beträchtlichen
Teil des Volumens VA der Brennkammer 30 darzustellen.
Volumen VA ist definiert als das Gesamttotraumvolumen
(VT) in der Brennkammer 30, wenn
Kolben 14 bei OT minus des Volumens VB von Reaktionskammer 44 einschließlich der Öffnungsbereiche
ist. Folglich enthält
Vertiefung 42, gemäß dieser
Maschinenkonfiguration, am Entflammungspunkt, bei Vollendung des
Verdichtungsereignisses während
jedes Verbrennungszyklus, das Meiste des Brennstoffanteils jeder
Ladung in dem Brennkammervolumen VA. Wie ausführlicher beschrieben in U.S.-Patent
Nr. 5,898,153, kann die Reaktionskammer 44 eine einzelne
ringförmige Reaktionskammer oder
mehrere Reaktionskammern die um den Umfang der Vertiefung 42 angeordnet
sind, umfassen. Die Vertiefung 42 ist definiert durch eine
quer verlaufende untere Wand 50 und axial verlaufende Seitenwände 54.
Gemäß der Ausführungsform
von 1 sind die Seitenwände 54 in
dem Maß unterbrochen, dass
die durchgehende Schlitzöffnung
den Schnittpunkt zwischen den Seitenwänden 54 und der unteren
Wand 50 unterbricht.
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Zur einfacheren Herstellung enthält die in 1 dargestellte Ausführungsform
einen ringförmigen
Kronenblock 52, in dem die Reaktionskammer 44 gebildet
wird und der die Seitenwände 54 der
Vertiefung 42 im Kolbenbodenbereich 55 enthält. Der Block 53 ist
an der Oberseite des Kolbens 14 mittels Schrauben 56 befestigt,
wodurch die Reaktionskammer 44 im Block 53 gebildet
werden kann und dann der Block 53 am unteren Abschnitt 14 des
Kolbens befestigt wird.
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Gemäß der Ausführungsform nach dem Stand der
Technik in 2 ist die
durchgehende Schlitzöffnung 46 vollständig weggelassen
und statt dessen sind nur getrennte Öffnungen verwendet, um für die Kommunikation
zwischen der Hauptbrennkammer 30 und dem Inneren der Reaktionskammer 44 zu
sorgen. Mit dem Begriff „getrennte Öffnung" ist beabsichtigt,
eine Öffnung
oder einen Schlitz zu unterscheiden, der eine geschlossene und allgemein symmetrische
oder gleichförmige
Geometrie (z. B. kreisförmig,
quadratisch usw.) hat im Gegensatz zu einem durchgehenden oder länglichen
offenen Schlitz oder Spalt.
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Gemäß diesem Beispiel sind getrennte Öffnungen
vorgesehen, um getrennt hauptsächlich
das Einlassen von Brennstoff bzw. Luft in Brennkammer 44 zu
kontrollieren. Getrennte Öffnungen 58 in
dieser Ausführungsform
sind in der axial verlaufenden Seitenwand 54 von Veriefung 42 im
Kolben 14 vorgesehen. Öffnung 58 liegt
so, dass das Sprühmuster,
das vom Brennstoffeinspritzer 32 ausgestoßen wird,
direkt auf sie auftrifft, um die direkte Zufuhr von Brennstoff in
die Brennkammer 44 bei jedem Brennstoffzyklus sicherzustellen.
Gemäß dieser
(2) Ausführungsform
ist eine separate getrennte Öffnung 60,
die den Kronenbereich 55 von Kolben 14 (die obere
Fläche
von Block 53) schneidet, vorgesehen, um hauptsächlich das
Einlassen von Luft in Reaktionskammer 44 zu kontrollieren.
Es ist zu beobachten, dass die Öffnungen 58 und 60 räumlich voneinander
getrennt sind, so dass das Brennstoffsprühmuster von Einspritzer 32 nicht
auf den Bereich auftrifft, wo sich die Luftöffnung 60 befindet.
Somit ist zu sehen, dass Öffnung 58 hauptsächlich das
Einlassen von Brennstoff in Kammer 44 kontrolliert, während Öffnung 60 hauptsächlich das
Einlassen von Luft in die Kammer kontrolliert.
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Gemäß 2 des Beispiels nach dem Stand der Technik
sind die Öffnungen 58 und 60 von
den Außenwänden von
Block 53 nach innen zur Kammer 44 geführt, so
dass sie die krummlinige Seitenwand von 44 tangential oder
zumindest in einer Richtung schneiden, die einen kreisenden Wirbel
in Kammer 44 herbeiführt.
Die Richtung des kreisenden Wirbels ist so, dass der Flüssigkeitsstrom
nicht dazu neigt, zurück
durch die Öffnungen 58, 60 auszutreten
sondern dazu neigt, innerhalb der Reaktionskammer 44 eingeschlossen
zu bleiben. Wie in 2 zu
sehen, sind die Öffnungen 58 und 60 beide
als vorzugsweise die krummlinige Seitenwand von Reaktionskammer 44 tangential
schneidend dargestellt. Es kann verwiesen werden auf U.S.-Patent
Nr. 5,322,042 zwecks einer vollständigen Beschreibung des in 2 dargestellten Beispiels
nach dem Stand der Technik.
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3 veranschaulicht
eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung, in welcher der vertiefte Kolben 100, der
Kolben 14 in den Beispielen nach dem Stand der Technik
entspricht, einen integralen Kolbenbodenbereich 102 umfasst,
einschließlich
einer axial verlaufenden Seitenwand 104, die die Kolbenvertiefung
definiert und in welcher zumindest eine Reaktionskammer 106 vorgesehen
ist, die funktionell mit der in den 1 und 2 dargestellten Reaktionskammer 44 nach
dem Stand der Technik übereinstimmt.
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Gemäß dieser Verbesserung liegt
eine hauptsächlich
Brennstoff erhaltende Öffnung 108,
die für
die Kommunikation zwischen der Reaktionskammer 106 und
der Vertiefung in Kolben 100 sorgt, axial in einer Entfernung
oder Höhe
H entlang der axialen Seitenwand 104 von dem Kolbenbodenende,
das dem zentralen Bereich 110 einer Rußwolke 112 entspricht,
die typischerweise gebildet wird bei jedem Verbrennungszyklus in
der Brennkammer einer direkteingespritzten Hubkolben-Dieselbrennkraftmaschine,
die einen vertieften Kolben 100 in einer Brennkammerkonfiguration
verwendet, die ansonsten den Beispielen nach dem Stand der Technik
von 1 und 2 entspricht.
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Die Rußwolke 112 wird nach
Auslösung
der Verbrennung von Brennstoff produziert, der in einem vernebelten
Sprühmuster
oder in vernebelten Sprühmustern
in den Vertiefungsbereich von Kolben 100 entladen wird.
Der Rußt
umfasst unverbrannten Kohlenwasserstoffbrennstoff der sich in verschiedenen
Verbrennungsgraden und vielleicht verschiedenen Verbrennungsraten
befindet.
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Idealerweise wird die gesamte in
die Brennkammer eingelassene Brennstoffladung vollständig verbrannt
oder mit verfügbarem
Sauerstoff reagiert, So dass kein Ruß in dem Abgasstrom produziert wird,
der von der Brennkammer entladen wird, in welcher der Kolben 100 sich
befindet.
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Jedoch können ideale Bedingungen in
der Brennkammer für
eine vollständige
Verbrennung des eingespritzten Brennstoffs nicht zu jeder Zeit unter
allen Betriebsbedingungen aufrecht erhalten werden, so dass die
Entladung von Ruß in
den Abgasstrom möglicherweise
nicht unter allen Betriebsbedingungen der Maschine vermeidbar ist.
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Die Lage H der Öffnung 108 (oder mehreren Öffnungen
in typischen Situationen) entlang der axialen Seitenwand 104 ist
so gewählt,
dass sie dem zentralen Bereich 110 von einer oder mehreren
Rußwolken
entspricht (oder entsprechen), die typischerweise während jedes
Verbrennungszyklus in der Brennkammer gebildet werden. Vorzugsweise
ist die Position des Einspritzers 114 innerhalb der Vertiefung
des Kolbenbodenbereichs 102 so angepasst, dass der zentrale
Bereich 110 axial in einer Entfernung H von der Oberseite 116 des
Kolbens 100 liegt.
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Diese Beziehung zwischen einer Rußwolke 112,
ihrer zentralen Zone 110 und der Lage einer Öffnung 108 stellt
sicher, dass die Entladung von Reaktionsprodukten von Reaktionskammer 106,
die typischerweise bei hoher Geschwindigkeit während des anfänglichen
Expansionsteils des Verbrennungszyklus stattfindet, direkt auf den
zentralen Abschnitt 110 der Rußwolke 112 während jedes
Verbrennungszyklus gerichtet ist. Die Mischung der Reaktionsprodukte aus
Reaktionskammer 106 mit teilweise reagiertem Brennstoff
bzw. teilweise reagierter Brennstoffspezies in der Rußwolke 112 reduziert
deutlich die Russkomponente, die in den Abgasstrom der Brennkammer
entladen wird, indem sie eine vollständige Verbrennung des teilweise
reagierten Brennstoffs fördert.
Spezieller verursacht der Hochgeschwindigkeits-Strahlstrom, der Öffnung 108 von
Reaktionskammer 106 verlässt, ein kreisendes Mischen
und Wirbeln der Rußwolke
in der Brennkammer, um eine vollständige Reaktion und Verbrennung
der Brennstoffelemente in der Rußwolke zu fördern.
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Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist die Reaktionskammer 106 mit allgemein ebenen
und gebogenen Seiten geformt, die die Kammer in dem Kolbenbodenbereich
definieren. Zudem kommuniziert in dem bevorzugten Beispiel die Öffnung 108 mit
dem zentralen Bereich der Reaktionskammer 106, wie in 3 dargestellt, wobei die Reaktion
von Brennstoff in der Reaktionskammer 106 dazu neigt, eingeschlossen
zu sein und einen höheren
Druck in der Reaktionskammer aufzubauen, der später mit hoher Geschwindigkeit
durch Öffnung 108 zur
zentralen Zone 110 von Rußwolke 102 hin entladen
wird. Die zumindest teilweise ebenen Seitenwände der Reaktionskammer 106 sind
von den gekrümmten
Seitenwänden
des in 1 und 2 gezeigten Stands der Technik
zu unterscheiden, die dafür
gedacht waren, internes Wirbeln und Wärmeaustausch zwischen dem ankommenden
Brennstoff, der die Reaktionskammer durch die getrennten Öffnungen
erreicht, und den Seitenwänden
der Reaktionskammer zu fördern.
Es wurde beobachtet, dass die Anordnung der Öffnung 108 zentral
in Bezug auf die Reaktionskammer 106 keine nachteilige
Wirkung erzeugt, vorausgesetzt der in die Reaktionskammer 106 eingelassene
Brennstoff intensiv in der Reaktionskammer zirkuliert und durch
Wärmetausch
mit dem Kolbenbodenbereich 102 erwärmt wird.
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Eine alternative Konfiguration der
Reaktionskammer 120 ist in 4 veranschaulicht,
in welcher die ebenen und gekrümmten
Seitenwände
der Reaktionskammer 120 umgekehrt sein können verglichen mit
der in 3 veranschaulichten
Konfiguration.
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Gemäß dem Stand der Technik, der
in U.S.-Patent Nr. 5,322,042 beschrieben ist, wurde festgestellt,
dass bestimmte Entwurfsparameter wichtig sind für die Herstellung eines Verhältnisses zwischen
dem Reaktionskammervolumen, dem Brennkammervolumen und dem Gesamtöffnungsbereich
der Öffnungen 58.
Dasselbe gilt in Bezug auf die vorliegende Erfindung, und insbesondere
in Bezug auf das Volumen von Reaktionskammer 106, das Volumen
der Brennkammer über
dem Kolben 100 und dem Gesamtöffnungsbereich von Öffnung 108.
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Gemäß dem Stand der Technik der
in U.S.-Patent Nr. 5,322,042 beschrieben ist, wurde das beste zu
erstellende Verhältnis
(Entwurfsindex) wie folgt definiert: I = X/Y
= 16 bis 26wobei:
I = Entwurfsindex
X = Vc/Ap
Y = Vtdc/Vct
Vc = individuelles Reaktionskammervolumen
Ap = Gesamtöffnungsbereich von getrennten Öffnungen,
die mit der individuellen Reaktionskammer kommunizieren;
Vtdc = gesamtes Totpunktverbrennungskammervolumen
Vct = Gesamtreaktionskammervolumen.
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Der obige Wert "I" für den Entwurfsindex
liefert eine Entwurfsberechnung für eine beliebige Maschine,
um einen anfänglichen
Gesamtöffnungsbereich
für die
getrennten Öffnungen 108 von
jedem beliebigen Kolben und jeder beliebigen Reaktionskammer in
einer gegebenen Maschine zu erhalten. Für eine vollständigere
Beschreibung, wie ein Entwurfsindex experimentell ermittelt werden
kann, wird auf U.S.-Patent Nr. 5,322,042 verwiesen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
kann der bevorzugte Entwurfsindex ausgedrückt werden als (unter Verwendung
derselben Symbole wie in U.S.-Patent Nr. 5,322,042 beschrieben): I = X/Y = 5–15.
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Der Entwurfsindex von 16–26 gemäß dem Stand
der Technik wurde für
Nox (Distickstoffoxid)-Werte im Abgasstrom über 6 g/Kwh
in Emissionszyklusversuchen benötigt.
Gemäß dieser
Erfindung ist entdeckt worden, dass kleinere Werte des Entwurfsindex
benötigt
werden für
Nox-Werte unter 6 g/Kwh, spezifischer einem
Entwurfsindexwert von 5–15.
Es wird angenommen, dass dies wichtig ist, weil eine Verstopfung
der Öffnungen) 108 zu
der antizipierten verzögerten
Einspritzzeiteinteilung im Zusammenhang mit Nox-Werten
von weniger als 6 g/Kwh erfolgen kann. Die niedrigeren Werte des
Entwurfsindex gemäß dieser
bevorzugten Ausführungsform
sind eingehalten worden, um störungsfreien
Betrieb zu gewährleisten,
auch bei hohen Abgasrückführungsraten
während
des Maschinenbetriebs.
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Gemäß der in 5 gezeigten Ausführungsform der Erfindung beinhaltet
die Bodenfläche
eines vertieften Kolbens 122 in Übereinstimmung mit der Bodenfläche des
in 3 gezeigten Kolbens 100 mehrere
Reaktionskammern 124 entsprechend Reaktionskammer 106 in 3 bzw. 120 in 4. Jede Reaktionskammer 124 beinhaltet
mindestens eine getrennte Öffnung 126 entsprechend
der in 3 dargestellten Öffnung 108.
Rußwolken 112 entwickeln
sich während
der Verbrennung infolge des Einspritzens von Brennstoff durch Brennstoffeinspritzer 114,
und es ist festzustellen, dass jede Öffnung 126 so konfiguriert
ist, dass teilweise reagierter Brennstoff (d. h. Radikale usw.)
aus Reaktionskammern 124 zu den Zentren 110 der
Rußwolken 112 entladen werden.
Zusätzliche Öffnungen
(nicht dargestellt) können
vorgesehen werden, um die Zufuhr von Luft oder eines sehr mageren
Brennstoff-Luft-Gemischs in die Brennkammern 124 zu kontrollieren.