DEP0056132DA - Viertakt-Dieselmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung des Brennraumes für Viertakt-Dieselmotoren mit unmittelbarer Einspritzung, wobei der Brennraum unter dem hochgezogenen Auslaßventil angeordnet ist.

Das bekannte Verbrennungsverfahren dieser Art weist infolge der Anordnung und Gestaltung des Brennraumes verschiedene Nachteile auf. Im allgemeinen reicht bei solchen Verbrennungsverfahren die Wirbelung der Ladeluft für einen befriedigenden Verbrennungsablauf bei hohen Drehzahlen aus. Für den Bereich niedriger Drehzahlen sind dagegen besondere Vorkehrungen erforderlich, um genügende Wirbelung der Ladeluft, gute Gemischbildung und damit ein hohes Drehmoment an der Rauchgrenze für diesen Bereich sicherzustellen, wie es für den Fahrzeugantrieb Voraussetzung ist.

Um dieses Ziel zu erreichen, hat man bei der bekannten Bauart den Brennraum seitlich weit aus der Zylindermitte herausgezogen. Die verdichtete Luft wird durch einen weiten Überströmkanal in den Brennraum übergeschoben, wobei dieser Kanal mit Hilfe eines zur Horizontalen schrägliegenden Kolbenansatzes beim Aufwärtsgang des Kolbens allmählich verengt und damit die Strömungsgeschwindigkeit der Luft im Vergleich zu der normalen Anordnung erhöht wird. Dabei liegen die einzelnen Stromfäden annähernd in senkrechten Ebenen.

Durch die Vergrößerung der gut gekühlten Brennstoffoberfläche sowie als Folge der Wirbelgeschwindigkeit der gesamten Luftmasse wird die Verlustwärme unnötig groß. Vor allem gilt dies für den Bereich der hohen Drehzahlen. Weiterhin werden die Bearbeitungskosten für den Zylinderkopf und den Kolben infolge des zur Horizontalen schrägliegenden Kolbenansatzes erhöht. Da die Ein- und Auslaßventile bei dieser Bauart in Reihe liegen, ergibt das weite Herausziehen des Brennraumes eine Vergrößerung des Zylinderabstandes und damit der Motorlänge.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass ungünstige Gemischbildung und die Ursache für das Rauchen des Dieselmotors hauptsächlich in der letzten Phase der Einspritzung zu suchen sind. In diesem Zeitabschnitt wird einmal der Einspritzvorgang durch das Ansteigen des Gegendruckes im Zylinder schädlich beeinflußt. Andererseits ist die für die Gemischbildung des zuletzt eingespritzten Brennstoffes zur Verfügung stehende Zeit infolge des Temperaturanstieges im Zylinder kleiner und daher bei geringen Luftüberschußzahlen nicht ausreichend, wenn nicht besondere Maßnahmen ergriffen werden.

Erfindungsgemäß bestehen diese Maßnahmen darin, dass vor allem im zweiten Abschnitt der Einspritzung eine zusätzliche Wirbelung der dann noch in den Brennraum einströmenden Luft hervorgerufen wird, wobei die Strömung tangential zur seitlichen Brennraumberandung verläuft. Im ersten Teil der Gemischbildung ist dagegen nur die nicht vermeidbare Wirbelung im Brennraum vorhanden. Weiterhin ist erfindungsgemäß die Düsenmündung vorteilhaft so anzuordnen, dass sie von der mit größerer Geschwindigkeit einströmenden Luft bestrichen wird. Hierdurch wird das Hängenbleiben von Brennstofftropfen bei Ende der Einspritzung und damit die Neigung zum Verkoken der Düsenmündung abgeschwächt. Auf diese Weise wird die Behinderung des Einspritz- und Verbrennungsorganes bei geringen Luftüberschußzahlen vermieden.

Konstruktiv wird die Aufgabe gemäß der Erfindung beispielsweise dadurch gelöst, dass der Kolbenboden mit einer im Richtung der Zylinderachse verlaufenden Wand versehen ist, die der senkrechten Begrenzungsfläche des Brennraumes nach Zylindermitte hin angepasst und auf einer Seite nicht ganz bis an Kolbenmantellinie herangeführt ist. Auf der anderen Seite ist sie bis an die Kolbenmantellinie herangeführt und schliesst so unmittelbar an die Zylinderberandung an. Durch diese Ausbildung der Wand ergibt sich beim Kolbenaufwärtsgang in der Nähe des oberen Totpunktes plötzlich eine Trennung von Brenn- und Hubraum mit einem Überströmquerschnitt konstanter Breite als einziger Verbindung. Die Höhe desselben verringert sich in Abhängigkeit vom Kolbenweg. Die Höhe dieses in den Brennraum hineinfahrenden Ansatzes wird unter Berücksichtigung der Kurbeltriebverhältnisse so gewählt, dass ein geeigneter Restanteil des eingespritzten Brennstoffes von der Wirbelung erfasst wird. Dabei ist die Düse hinsichtlich ihrer Höhenlage so am Brennraum angebracht, dass die aus der Horizontalen schräg aufsteigenden Stromfäden an der Düsenmündung vorbeiführen. Die entstandene Strömungsgeschwindigkeit des zuletzt gebildeten Gemisches wird durch die im Brennraum schon vorhandene Gasmenge unter Wirbelbildung an der Grenzfläche abgebremst. Hierdurch wird einmal der Verbrennungsablauf in seiner Endphase zusätzlich gefördert und andererseits der Wärmeverlust vermindert.

In ähnlicher Weise ergeben sich beim Arbeitshub nur in unmittelbarer Totpunktnähe größere Geschwindigkeiten der Brenngase. Das heißt die Wärmeverluste werden gering gehalten und die Gefahr von Wärme- rissen in den beanspruchten Bauteilen nach Möglichkeit vermieden.

Der Brennraum-Horizontalschnitt wird je nach den Hauptabmessungen des Motors entweder kreis- oder ellipsenartig gestaltet. Letztere Form ist für langhubige Motoren angebracht.

Die Anordnung der Einspritzdüse und die Ausbildung ihrer Mündung ist auf verschiedene Weise möglich, wobei die Düsenlängsachse genau oder annähernd in einer zur Zylinderachse senkrechten Ebene liegt.

Bei kreisförmigem Brennraum-Horizontalschnitt kann eine Zapfen- oder Einlochdüse Verwendung finden, wobei ihre Längsachse zweckmässig in der durch die Achsen des Ein- und Auslaßventils bestimmten Ebene liegt. Jedoch kann sie aus konstruktiven Rücksichten ohne große Nachteile für den Verbrennungsablauf an einer anderen Stelle des Brennraumumfanges liegen, an der sie noch von der Luftströmung bestrichen wird.

Bei ellipsenartigem Brennraum- Horizontalschnitt und Verwendung einer Zapfen- oder Einlochdüse muß deren Spritzrichtung genau oder wenigstens annähernd mit der Längsachse dieses Querschnittes übereinstimmen. Wird die Einspritzdüse jedoch in die durch die Ventilachsen bestimmte Ebene verlegt, so ist eine Zweilochdüse zweckmässig, deren Bohrungen seitlich unter einem bestimmten Winkel zur Düsenlängsachse liegen.

Auf der Zeichnung ist die Erfindung im einzelnen dargestellt, und zwar zeigt:

Fig. 1 eine Ausführungsform des Zylinders eines Viertakt-Dieselmotors mit einem Brennraum gemäß der Erfindung im senkrechten Schnitt,

Fig. 2 den dazu gehörigen Horizontalschnitt des Zylinderkopfes in Höhe von Brennraummitte,

Fig. 3 den entsprechenden Horizontalschnitt bei ellipsenartigem Brennraumquerschnitt.

Der scheibenförmige Brennraum 10 ist unter dem hochgezogenem Auslaßventil 11 angeordnet, wobei aus strömungstechnischen Gründen das Verhältnis Brennraumdurchmesser/Auslaßventildurchmesser gleich etwa Wurzel 2 eingehalten wird. Das Einlaßventil 12 liegt mit seinem Teller in üblicher Weise am Boden des Zylinderkopfes 13 auf. Der Kolbenboden 14 des Kolbens 15 trägt in dem unter dem Brennraum liegenden Abschnitt einen Ansatz 16, der in der Nähe des oberen Totpunktes von einer festgelegten Kurbelstellung an Brennraum 10 und Hubraum 17 bis auf den Kanal 18 unter stetiger Querschnittsverengung trennt und damit eine Tangetialströmung zum Brennraum hin verursacht. Diese führt an der Düsenmündung 19 der Einspritzdüse 20 vorbei und hat eine intensive Durchmischung der Luft und des in diesem Zeitabschnitt eingespritzen Brennstoffes zur Folge. Beim Arbeitshub ist dagegen die Strömungsgeschwindigkeit der Brenngase in der Nähe der Düsenmündung gering, so dass ihre Erwärmung so niedrig wie möglich gehalten wird.

Beim Brennraum 10' von ellipsenartigem Horizontalschnitt, wie ihn Fig. 3 zeigt, ist die Düsenmündung 19' für die Verwendung einer Zapfen- bezw. Einlochdüse so gelegt, dass die Einspritzrichtung annähernd mit der Längsachse des Brennraum-Horizontalschnittes zusammenfällt.

Aus fertigungstechnischen Gründen ist die Lage der Einspritzdüse 20' entsprechend der von 20 in Fig. 2 oftmals von Vorteil, die jedoch die Anwendung einer Zweilochdüse erfordert.

Claims (7)

1. Viertakt-Dieselmotor mit unter dem hochgezogenen Auslaßventil angeordneten Brennraum für unmittelbare Einspritzung, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel angeordnet sind, welche nur im zweiten Abschnitt der Brennstoffeinspritzung eine zusätzliche Wirbelung der Ladeluft erzeugen.

2. Viertakt-Dieselmotor nach Anspruch 1, durch eine derartige Anordnung der Mittel gekennzeichnet, dass die Stromfäden dieser zusätzlichen Wirbelung tangential zu einem Teil der Brennraumberandung verlaufen.

3. Viertakt-Dieselmotor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennraum in der Nähe des oberen Totpunktes durch einen am Kolbenboden befindlichen Ansatz (16) bis auf den Verbindungskanal (18) vom Hubraum abgetrennt ist.

4. Viertakt-Dieselmotor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennraum-Horizontalschnitt kreisförmig gestaltet ist und der Ansatz (16) am Kolbenboden dementsprechend den Teil einer kreisringförmigen Wand bildet.

5. Viertakt-Dieselmotor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennraum-Horizontalschnitt ellipsenartig gestaltet ist und der Ansatz (16) dementsprechend den Teil eines ellipsenartig geformten Ringes als Wand bildet.

6. Viertakt-Dieselmotor nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse der Einspritzdüse in der durch die beiden Achsen des Ein- und Auslaßventils bestimmten Ebene in genau oder annähernd horizontaler Lage angeordnet ist.

7. Viertakt-Dieselmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse der Einspritzdüse bei horizontaler Lage genau oder wenigstens annähernd mit der Längsachse des Brennraum-Horizontalschnittes zusammenfällt.