DEP0021404DA

DEP0021404DA - Diesel engine, especially high-speed vehicle diesel engine

Info

Publication number: DEP0021404DA
Authority: DE
Inventors: Paul Wiebicke
Original assignee: Wiebicke, Paul, Nürnberg
Publication date: 1950-12-14

Description

Das bei Dieselmotoren angewandte Verdichtungsverhältnis war bisher so hoch bemessen, dass eine sichere Zündung gewährleistet wurde. So ist bei normalen Dieselbrennstoffen der aliphatischen Reihe in Motoren mit Vorkammer u.dgl. etwa (Epsilon) = 21 erreicht, es liegt bei Motoren mit direkter Einspritzung heute aber fast allgemein bei etwa (Epsilon) = 17.The compression ratio used in diesel engines was so high that reliable ignition was guaranteed. For example, with normal diesel fuels of the aliphatic series in engines with an antechamber and the like, around (epsilon) = 21 is achieved, but in engines with direct injection it is almost generally around (epsilon) = 17 today.

Die Erfindung weicht auf Grund von neuen Erkenntnissen und Erfahrungen von dieser Regel ab. Sie schafft einen Dieselmotor, insbesondere einen schnellaufenden Dieselmotor für Fahrzeuge, also mit verhältnismässig geringen Zylinderdurchmessern, der unter Verwendung der erwähnten normalen Brennstoffe einen erheblich höheren Verdichtungsgrad aufweist, als es die Bedingung der Selbstzündung verlangt. Wesentlich ist dabei die bauliche Ausgestaltung der Brennkammer als Hohlraum mit grossem Inhalt bei kleiner Oberfläche, in welchem praktisch die ganze Luftladung sich geballt in der Nähe der Düse sammelt und in die Brennstoff dann direkt eingespritzt wird. Ein derartiger Motor weist z.B. bei einem Verdichtungsverhältnis von beispielweise etwa 23 an erhebliche Fortschritte in der Ausnutzung des Brennstoffes und in ruhigem Gang auf.The invention deviates from this rule based on new knowledge and experience. It creates a diesel engine, in particular a high-speed diesel engine for vehicles, that is to say with relatively small cylinder diameters, which, when using the normal fuels mentioned, has a considerably higher degree of compression than required by the self-ignition condition. What is essential here is the structural design of the combustion chamber as a cavity with a large volume and a small surface, in which practically the entire air charge collects in the vicinity of the nozzle and into which fuel is then injected directly. Such an engine shows, for example, with a compression ratio of about 23 for example, considerable progress in the utilization of the fuel and in smooth gear.

Der Motor gemäss der Erfindung hat ein Druckdiagramm, das die bekannte scharfe Spitze bei der Verbrennung - in Abbildung 1 mit a bezeichnet - nicht mehr zeigt. Alle bisherigen Dieselmotoren mit direkter Einspritzung haben dieses Merkmal, das sich im Betrieb durch harten Gang bemerkbar macht und seine Ursache in dem sogenannten Zündverzug - den Zeitraum zwischen dem Beginn der Entflammung und dem Einspritzbeginn - besitzt.The engine according to the invention has a pressure diagram which no longer shows the known sharp point during combustion - denoted by a in Figure 1. All previous diesel engines with direct injection have this feature, which is noticeable in operation through a hard gear and is caused by the so-called ignition delay - the period between the start of ignition and the start of injection.

Je geringer der Zündverzug ist, umso ruhiger läuft der Dieselmotor. Es liegt also nahe, Mittel zu verwenden, durch die der Zündverzug verringert wird. Hierzu gehört die Verwendung von besonderen Brennstoffen oder Brennstoffgemischen, die sich schneller entzünden, ferner eine besondere Ausgestaltung der Einspritzdüse und des Verbrennungsraumes derart, dass der Brennstoff möglichst gleichmässig auf den Brennraum verteilt ist. Es zeigt sich, dass unter gleichen Verdichtungsgraden der Höchstdruck im Diagramm bei Maschinen mit kurzem Zündverzug niedriger liegt, als bei solchen mit längerem Zündverzug, und dass das Diagramm eine oben abgerundete Form aufweist, die das Kennzeichen ruhigen Ganges ist. Sie Linienzug b in Abbildung 1. Es wirkt aber auch eine Erhöhung des Verdichtungsenddruckes über das durch die Selbstzündung gebotene Mass, also eine Steigerung des Verdichtungsverhältnisses auf eine Abkürzung des Zündverzuges hin. Von dieser Massnahme macht die Erfindung Gebrauch und zwar - wie oben gesagt - in der Weise, dass der Wert auf ein Mass erhöht wird, das über dem liegt, das zur Einleitung der Zündung benötigt wird. Es zeigt sich, dass dabei eine Steigerung des im Zylinder auftretenden Höchstdruckes entgegen der Befürchtung nicht einzutreten brauch, dass aber das Diagramm die in Abbildung 1 mit c bezeichnete völlige, oben abgerundete Form annimmt. Die Linienzüge a und b sind für (Epsilon) = 17, der Linienzug c ist für (Epsilon) = 30 gezeichnet.The lower the ignition delay, the smoother the diesel engine runs. It therefore makes sense to use means by which the ignition delay is reduced. This includes the use of special fuels or fuel mixtures that ignite more quickly, as well as a special design of the injection nozzle and the combustion chamber in such a way that the fuel is distributed as evenly as possible over the combustion chamber. It can be seen that under the same degree of compression, the maximum pressure in the diagram for machines with a short ignition delay is lower than for machines with a longer ignition delay, and that the diagram has a rounded shape at the top, which is the hallmark of smooth gear. Line b in Figure 1. However, there is also an increase in the final compression pressure above the level required by the self-ignition, i.e. an increase in the compression ratio towards a shortening of the ignition delay. The invention makes use of this measure, specifically - as stated above - in such a way that the value is increased to a level which is above that which is required to initiate the ignition. It turns out that, contrary to the fear, an increase in the maximum pressure occurring in the cylinder does not need to occur, but that the diagram assumes the complete, rounded-off shape indicated in Figure 1 in Figure 1. The lines a and b are drawn for (epsilon) = 17, the line c is drawn for (epsilon) = 30.

Es sei erwähnt, dass schon gelegentlich darauf hingewiesen wurde, dass der Zündverzug durch die Höhe der Verdichtung günstig beeinflusst wird. Es geschah dies aber weder in der Absicht, eine über das notwendige gesteigerte Verdichtung zu empfehlen, noch konnte daraus entnommen werden, dass eine ganz besondere hohe Verdichtung besonders vorteilhaft sein würde. Vielmehr geschah dieser frühere Hinweis mit gleichzeitigen Darlegungen über vermeintliche Nachteile, die mit höherer Verdichtung eintreten, oder aber die hohe Verdichtung geschah in Sonderfällen zu besonderen Zwecken. So wurde sie zum Beispiel vorgeschlagen, um schlecht zündfähige aromatische Brennstoffe überhaupt erst zündfähig zu machen, lag also nicht im Bereich der Erfindung, die ja gerade höhere Verdichtungsgrade fordert, als die Selbstzündung verlangt.It should be mentioned that it has occasionally been pointed out that the ignition delay is favorably influenced by the level of compression. However, this was not done with the intention of recommending an increase in compression beyond what is necessary, nor could it be inferred from this that a particularly high compression would be particularly advantageous. Rather, this earlier reference was made with simultaneous explanations of alleged disadvantages that occur with higher compression, or the high compression occurred in special cases for special purposes. For example, she was suggested to be bad Making ignitable aromatic fuels ignitable in the first place was therefore not within the scope of the invention, which requires a higher degree of compression than the auto-ignition requires.

Ein hoher Verdichtungsgrad von beispielsweise 30 bring nach der bekannten Formel für den theoretischen thermischen Wirkungsgrad (Eta) = auch eine innere Verbesserung der Maschine mit sich. Gegenüber einem bisherigen Dieselmotor mit (Epsilon) gleich 17 und (Eta) gleich 0,680 ergibt sich bei (Epsilon) gleich 30 ein (Eta) von 0,744, also ein Gewinn von 0,064, d.h. eine Verbesserung um etwa 9%. Das scheint zunächst nicht viel.A high degree of compression of, for example, 30 brings according to the well-known formula for the theoretical thermal efficiency (Eta) = also an inner improvement of the machine with it. Compared to a previous diesel engine with (Epsilon) equal to 17 and (Eta) equal to 0.680, (Epsilon) equal to 30 results in an (Eta) of 0.744, i.e. a gain of 0.064, i.e. an improvement of around 9%. That doesn't seem like much at first.

Die Bedeutung dieses Gewinnes erscheint aber in einem anderen Licht, wenn man die gewinnbare Leistung betrachtet, die sich aus dem Druckdiagramm ergibt. Diese indizierte Leistung ist bei dem neuen Motor nicht, wie man zunächst annehmen sollte, um das Verhältnis von 0,744 zu 0,680 grösser, sondern um mehr. Es zeigen nämlich Versuche, dass der Gewinn von 0,064% des thermischen Wirkungsgrades bei der indizierten Leistung im neuen Motor nicht nur ohne Verluste erhalten bleibt, sondern unter Umständen gesteigert wird, d.h. dass der Gütegrad der Maschine höher geworden ist. Das bedeutet praktisch eine Verminderung des spezifischen Brennstoffbedarfes um mehr als die oben errechnete Verbesserung von 9%.The significance of this gain appears in a different light when one considers the achievable performance that results from the pressure diagram. With the new engine, this indicated power is not, as one should initially assume, greater by the ratio of 0.744 to 0.680, but by more. Tests show that the gain of 0.064% of the thermal efficiency at the indicated power in the new motor is not only retained without losses, but is increased under certain circumstances, i.e. that the quality of the machine has become higher. In practice, this means a reduction in the specific fuel requirement by more than the improvement of 9% calculated above.

Betont muss werden, dass diese Vergleiche für Motoren gelten, die mit demselben normalen Brennstoff arbeiten, also bei den üblichen Verdichtungen von 17 die bekannte Diagrammspitze bei der Verbrennung zeigen. Die Wahl von Brennstoffen mit besonders geringem Zündverzug oder sonstiger Mittel ist also zum Erreichen der Vorteile gemäss der Erfindung nicht nötig.It must be emphasized that these comparisons apply to engines that work with the same normal fuel, i.e. with the usual compressions of 17 show the well-known top of the diagram during combustion. The choice of fuels with a particularly low ignition delay or other means is therefore not necessary in order to achieve the advantages according to the invention.

Eine Ausnahme hiervon macht die eingangs angegebene Bedingung, dass ein Verbrennungs- (Verdichtungs-) Raum von geballter Form gewählt werden soll, wobei ein solcher, der im ebenen Kolbenboden ausgespart ist, und praktisch die Gestalt einer mathematischen Hohlkugel aufweist und mit dem Raum über den Kolben durch eine nicht zu enge Drosselöffnung in Verbindung steht, besonders günstig ist. Der Grund hierfür liegt einmal in dem rein äusserlichen Umstand, dass die sonst vielfach bevorzugte scheibenförmige oder der Hauptsache nach scheibenförmige Gestalt des Verdichtungs- bzw. Verbrennungsraumes bei dem hohen Verdichtungsgrad von über etwa 23 nicht mehr die Möglichkeit zur Entwicklung eines ausreichend verteilten Brennstoffstrahles bietet, da die Zylinderdeckelunterseite und die Kolbenoberseite zu nahe aneinander rücken. Ein geballter Raum gibt aber diese Möglichkeit. Hinzu kommt, dass in einem solchen Raum das Verhältnis vom Inhalt zur wärmeabführenden Oberfläche besonders günstig ist, also die hochgetriebene Verdichtung sich auch wirklich praktisch auswirken kann, indem die angestrebte hohe Verdichtungstemperatur auch voll erzielt wird. Die erwähnte im Kolbenboden liegende Hohlkugel mit verhältnismässig weiter Drosselöffnung von einem Querschnitt, der etwa dem halben Kugelquerschnitt entspricht, mit schräg auf die Kugelmitte zu spritzendem gleichmässig mit Brennstoffteilchen erfüllten Strahlkegel, stellt nach Versuchen das überhaupt heute erreichbare Optimum in dieser Beziehung dar.An exception to this is the condition specified at the beginning that a combustion (compression) space of concentrated form should be selected, with one that is recessed in the flat piston crown and practically has the shape of a mathematical hollow sphere and with the space above the Piston is connected by a throttle opening that is not too narrow, is particularly favorable. The reason for this lies in that purely external fact that the otherwise often preferred disk-shaped or mainly disk-shaped shape of the compression or combustion chamber with the high degree of compression of over about 23 no longer offers the possibility of developing a sufficiently distributed fuel jet, since the cylinder cover underside and the piston top are too close move closer together. But a concentrated space gives this possibility. In addition, the ratio of the content to the heat-dissipating surface in such a room is particularly favorable, i.e. the increased compression can also have a really practical effect in that the desired high compression temperature is also fully achieved. The mentioned hollow sphere located in the piston crown with a relatively wide throttle opening with a cross-section that corresponds to about half the cross-section of the sphere, with a jet cone that is evenly filled with fuel particles and sprayed obliquely onto the center of the sphere, represents the optimum in this respect that can be achieved today.

Hat diese Brennraumform schon bei den üblichen Verdichtungsgraden von etwa 17 die niedrigsten bekanntgewordenen Brennstoffverbrauchszahlen und den höchsten praktischen Ausnutzungsgrad der zugeführten Wärme erzielt, so bringt dabei die Steigerung der Verdichtung auf das Mass gemäss der Erfindung einen technischen Fortschritt, der vor kurzem noch als unerreichbar galt, denn bei einer solchen Bauart hat das Verhältnis von der im eigentlichen Verbrennungsraum enthaltenen Luft zum Gesamtinhalt des ganzen Verdichtungsraumes den höchsten überhaupt erzielbaren Wert und auch bei dem Verdichtungsgrad von über etwa 23 ergibt sich selbst bei kleinen Zylinderdurchmessern noch ein Brennraum von ausreichender Grösse für eine günstige Entwicklung des Einspritzstrahles.If this combustion chamber shape has already achieved the lowest known fuel consumption figures and the highest practical degree of utilization of the supplied heat with the usual degrees of compression of around 17, then increasing the compression to the level according to the invention brings technical progress that was until recently considered unattainable, Because with such a design, the ratio of the air contained in the actual combustion chamber to the total content of the entire compression chamber has the highest achievable value and even with a degree of compression of over about 23, a combustion chamber of sufficient size for a favorable development results, even with small cylinder diameters of the injection jet.

Abbildung 2 der Zeichnung stellt einen Dieselmotor gemäss der Erfindung mit der eben geschilderten Form des Verbrennungsraumes für (Epsilon) gleich etwa 30 dar. Im Boden des Kolben 1 befindet sich der Hohlkugelraum 2, der mit dem Raum über dem Kolben, dem sogenannten Zylinderspaltraum 4 durch eine weite Drosselöffnung in Verbindung steht, deren Querschnitt etwa halb so gross wie der grösste Querschnitt der Kugel ist. Die Düse 5 ist schräg zur Zylinderachse so eingesetzt, dass die Achse des Brennstoffstrahles auf die Kugelmitte zu gerichtet ist, diese und Kugel liegen ausserhalb der Zylinderachse.Figure 2 of the drawing shows a diesel engine according to the invention with the just described shape of the combustion chamber for (Epsilon) equal to about 30. In the bottom of the piston 1 is the hollow spherical space 2, which with the space above the piston, the so-called cylinder gap 4 through a wide throttle opening is connected, the cross section of which is about half as large as the largest cross section of the sphere. The nozzle 5 is inclined used in relation to the cylinder axis so that the axis of the fuel jet is directed towards the center of the sphere, this and the sphere are outside the cylinder axis.

Claims

Diesel engine, especially high-speed vehicle diesel engine that is operated with normal aliphatic fuels, characterized by the combination of the following features:

Compression ratio (epsilon) higher than required by the compression ignition condition, i.e. more than about 23.

Combustion chamber of spherical or spherical shape, which is arranged in such a way that at top dead center the entire compressed air charge, apart from the piston gap, is in front of the injection nozzle in a concentrated form.