DEP0056132DA

DEP0056132DA - Four-stroke diesel engine

Info

Publication number: DEP0056132DA
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr.-Ing. Karde
Original assignee: Karde, Klaus, Dr.-Ing., Dammstedt
Publication date: 1951-02-01

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung des Brennraumes für Viertakt-Dieselmotoren mit unmittelbarer Einspritzung, wobei der Brennraum unter dem hochgezogenen Auslaßventil angeordnet ist.The invention relates to an arrangement of the combustion chamber for four-stroke diesel engines with direct injection, the combustion chamber being arranged below the raised exhaust valve.

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.The known combustion method of this type has various disadvantages as a result of the arrangement and design of the combustion chamber. In general, in such combustion processes, the turbulence of the charge air is sufficient for a satisfactory combustion process at high speeds. For the range of low speeds, however, special precautions are required to ensure sufficient turbulence in the charge air, good mixture formation and thus a high torque at the smoke limit for this range, as is a prerequisite for vehicle propulsion.

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.In order to achieve this goal, in the known design, the combustion chamber has been pulled out from the side of the cylinder center. The compressed air is pushed over into the combustion chamber through a wide overflow channel, this channel gradually narrowing with the help of a piston attachment inclined to the horizontal as the piston moves upwards, thus increasing the flow speed of the air compared to the normal arrangement. The individual streamlines lie approximately in vertical planes.

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.Due to the enlargement of the well-cooled fuel surface and as a result of the vortex speed of the entire air mass, the heat loss becomes unnecessarily large. This is especially true in the area of high speeds. Furthermore, the machining costs for the cylinder head and the piston are increased as a result of the piston attachment which is inclined to the horizontal. Since the intake and exhaust valves are in series in this type of construction, pulling out the combustion chamber increases the distance between the cylinders and thus the length of the engine.

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.The invention is based on the knowledge that unfavorable mixture formation and the cause of smoking in the diesel engine are mainly to be found in the last phase of the injection. During this period of time, the injection process is adversely affected by the increase in the counterpressure in the cylinder. On the other hand, the time available for the mixture formation of the fuel injected last is shorter due to the rise in temperature in the cylinder and therefore not with low excess air numbers sufficient if special measures are not taken.

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.According to the invention, these measures consist in that, especially in the second section of the injection, an additional swirling of the air then still flowing into the combustion chamber is caused, the flow running tangentially to the lateral edge of the combustion chamber. In the first part of the mixture formation, on the other hand, only the unavoidable turbulence is present in the combustion chamber. Furthermore, according to the invention, the nozzle mouth is advantageously to be arranged in such a way that it is swept by the air flowing in at greater speed. As a result, the sticking of fuel droplets at the end of the injection and thus the tendency towards coking of the nozzle orifice is weakened. In this way, the obstruction of the injection and combustion system is avoided in the case of low excess air numbers.

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 terms of construction, the object is achieved according to the invention, for example, in that the piston head is provided with a wall running in the direction of the cylinder axis, which is adapted to the vertical boundary surface of the combustion chamber towards the center of the cylinder and not all the way up to the piston surface line on one side. On the other hand, it is brought up to the piston surface line and thus directly adjoins the cylinder rim. This design of the wall suddenly results in a separation of combustion and displacement with an overflow cross-section of constant width as the only connection when the piston is moving upwards in the vicinity of top dead center. The height of the same decreases depending on the piston travel. The height of this approach moving into the combustion chamber is selected, taking into account the crank drive ratios, so that a suitable residual proportion of the injected fuel is captured by the vortex. The height of the nozzle is attached to the combustion chamber in such a way that the stream filaments rising diagonally from the horizontal lead past the nozzle mouth. The resulting flow rate of the mixture formed last is slowed down by the amount of gas already present in the combustion chamber with the formation of eddies at the interface. As a result, the combustion process is additionally promoted in its final phase and, on the other hand, the heat loss is reduced.

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.In a similar way, the working stroke only results in higher fuel gas velocities in the immediate vicinity of the dead center. This means that the heat losses are kept low and the risk of heat cracks in the stressed components avoided as far as possible.

Der Brennraum-Horizontalschnitt wird je nach den Hauptabmessungen des Motors entweder kreis- oder ellipsenartig gestaltet. Letztere Form ist für langhubige Motoren angebracht.The horizontal section of the combustion chamber is either circular or elliptical, depending on the main dimensions of the engine. The latter form is appropriate for long-stroke engines.

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.The arrangement of the injection nozzle and the formation of its mouth is possible in various ways, the longitudinal axis of the nozzle lying exactly or approximately in a plane perpendicular to the cylinder axis.

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.In the case of a circular horizontal section of the combustion chamber, a pin or single-hole nozzle can be used, its longitudinal axis suitably lying in the plane determined by the axes of the inlet and outlet valves. However, for structural reasons, it can be located at another point on the circumference of the combustion chamber where it is still swept by the air flow without major disadvantages for the combustion process.

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.In the case of an elliptical horizontal section of the combustion chamber and the use of a pin or single-hole nozzle, the direction of spraying must exactly or at least approximately coincide with the longitudinal axis of this cross-section. However, if the injection nozzle is moved in the plane determined by the valve axes, a two-hole nozzle is expedient, the bores of which are laterally at a certain angle to the longitudinal axis of the nozzle.

Auf der Zeichnung ist die Erfindung im einzelnen dargestellt, und zwar zeigt:In the drawing, the invention is shown in detail, namely shows:

Fig. 1 eine Ausführungsform des Zylinders eines Viertakt-Dieselmotors mit einem Brennraum gemäß der Erfindung im senkrechten Schnitt,1 shows an embodiment of the cylinder of a four-stroke diesel engine with a combustion chamber according to the invention in vertical section,

Fig. 2 den dazu gehörigen Horizontalschnitt des Zylinderkopfes in Höhe von Brennraummitte,2 shows the associated horizontal section of the cylinder head at the level of the middle of the combustion chamber,

Fig. 3 den entsprechenden Horizontalschnitt bei ellipsenartigem Brennraumquerschnitt.3 shows the corresponding horizontal section with an elliptical cross-section of the combustion chamber.

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.The disk-shaped combustion chamber 10 is arranged under the raised exhaust valve 11, the ratio of the combustion chamber diameter / exhaust valve diameter being maintained at approximately the root of 2 for reasons of flow technology. The inlet valve 12 rests with its plate in the usual way on the bottom of the cylinder head 13. The piston head 14 of the piston 15 has a shoulder 16 in the section below the combustion chamber, which near the top dead center separates a fixed crank position on the combustion chamber 10 and displacement 17 except for the channel 18 with a constant cross-sectional constriction and thus a tangential flow to the combustion chamber caused. This leads past the nozzle opening 19 of the injection nozzle 20 and results in an intensive mixing of the air and the fuel injected in this time segment. During the working stroke, on the other hand, the flow speed of the combustion gases near the nozzle mouth is low, so that their heating is kept as low as possible.

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.In the combustion chamber 10 'of elliptical horizontal section, as shown in FIG. Single-hole nozzle placed in such a way that the direction of injection approximately coincides with the longitudinal axis of the horizontal section of the combustion chamber.

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.For manufacturing reasons, the position of the injection nozzle 20 'corresponding to that of 20 in FIG. 2 is often advantageous, but this requires the use of a two-hole nozzle.

Claims

1. Four-stroke diesel engine with the combustion chamber for direct injection arranged under the raised exhaust valve, characterized in that means are arranged which generate an additional turbulence of the charge air only in the second section of the fuel injection.

2. Four-stroke diesel engine according to claim 1, characterized by such an arrangement of the means that the flow filaments of this additional vortex run tangentially to part of the combustion chamber boundary.

3. Four-stroke diesel engine according to claims 1 and 2, characterized in that the combustion chamber is separated from the displacement in the vicinity of the top dead center by a projection (16) located on the piston head, except for the connecting duct (18).

4. Four-stroke diesel engine according to claims 1 to 3, characterized in that the horizontal section of the combustion chamber is circular and the extension (16) on the piston head accordingly forms part of an annular wall.

5. Four-stroke diesel engine according to claims 1 to 3, characterized in that the combustion chamber horizontal section is designed elliptically and the extension (16) accordingly forms part of an elliptically shaped ring as a wall.

6. Four-stroke diesel engine according to claims 4 and 5, characterized in that the longitudinal axis of the injection nozzle is arranged in the plane determined by the two axes of the inlet and outlet valve in an exactly or approximately horizontal position.

7. Four-stroke diesel engine according to claim 5, characterized in that the longitudinal axis of the injection nozzle in the horizontal position coincides exactly or at least approximately with the longitudinal axis of the combustion chamber horizontal section.