SE442230B - Dieselmotor - Google Patents

Description

8003622-1 kolv med en toroidformig förbränningskammare, genom förbätt- ning av utformningen hos dess förbränningskammare.

De väsentliga kännetecknen hos uppfinningen ligger i att för- bränningskammaren uppvisar en periferiell vägg som sträcker sig nedåt från kolvens översida till en förbindelse mellan den peri- eriella väggen och en bottenvägg av förbränningskammaren och som lutar kontinuerligt inåt mot förbrännlngskammaren över den periferiella väggens hela utsträckning, varvid förhållandet mellan diametrarna för förbränningskammarens öppning och kolv- gdiametern ligger inom området 0,45 och 0,6, samt att förhållandet mellan diametrarna för förbränningskammarens öppning och för- bränningskammarens djup ligger inom området 2,0 till 2,5, samt att förhållandet mellan avståndet från toppen av en toroid i förbränningskammaren till den yta, som bildar förbrännings- kammarens öppning och djupet på förbränningskammaren ligger inom området 0,33 till 0,51, samt att lutningsvinkeln på för- bränningskammarens periferivägg i förhållande till kolvaxeln ligger inom området 50 till 200. Uppfinningen gör det möjligt att utan försämring av motorns prestation undvika onormal ökning av det inre trycket i cylindern, vilket kan sägas vara en stor brist hos dieselmotorer med direktinsprutning, så att därigenom motorns livslängd ökas och förbränningens bullernivå minskas (med över 4 dB). En annan fördel med uppfhnfingen är att motorns tolerans ökas med avseende på ändringar i bränslein- sprutningstakten så att variationer i motorns prestation av detta skäl kan reduceras. En ytterligare fördel är att för- bränningskammaren är enkel i sin utformning och kan framställas» genom gjutning, vilket reducerar produktionskostnaden.

Undersökningar och experiment har utförts med avsikt att lösa det ovan nämnda problemet och det har visat sig att, om för- -hållandet mellan diametern i den toroidformiga förbrännings- kamarens öppning och kolvens diameter, förhållandet mellan diametern i den toroidformiga förbränningskammarens öppning och förbränningskammarens djup samt förhållandet mellan av- ståndet från överdelen av förbränningskammarens toroid till ytan av förbränningskammarens öppning och förbränningskammarens djup vardera är belägna i förutbestämt område av värden och som förbränningskammarens periferivägg lutar inom ett POOR QUÄLïTY 3 soosezz-1 förutbestämt område av grader i förhillando till kolvens centrumaxel, plötslig förbränning av bränslet överraskande inträffar, omedelbart efter det att kolven har passerat den övre dödpunkten (i det följande betecknat TDC). Till följd härav kan en maximal stighastighet av tryck i cylindern er- hållas (dp/dQ) max (där p är det inre trycket i cylindern, Q är vevaxelvinkeln och dp/dQ är stigförhâllandet hos det inre trycket i cylindern med avseende på enhetens vevaxelvin- kel) kan nalmeras och bullernivån även reduceras. Det har även visat sig att ett maximalt gastryck även medför en reduktion och ingen effektförlust åstadkoms.

En toroidformig förbränningskammare enligt tidigare teknik har en toroid, som sträcker sig in i kanmren, och är väsent- ligen baserad på tanken-att ju högre intensiteten av finför- delning och virvelstrålar, som alstras i kammaren, desto bättre komer blandningstillståndet av finfördelat bränsle med luft att vara.

En finfördelad stråle (i det följande betecknat såsom SQ) är en stråle av luft, som strålar in i den toroidformiga för- bränningskammaren, när luften i utrymmet ovanför kolven komp- rimeras av den stigande kolven. En virvelstråle (i det följ- ande betecknat såsom SW) avser en strâle, som strömmar i vir- velform in i cylindern under motorns insugningsslag , efter att ha alstrats av en sugport av olika kända profiler, varvid virvelstrålen kvarstår i kompressions- och expansionsslaget.

I den dieselmotor som avses enligt föreliggande uppfinning uppträder givetvis den finfördelade strålen, varvid virvel- strålen och den finfördelade strålen givetvis påverkar varan- dra. För att emellertid förenkla förklaringen behandlas vir- velstrålen och finfördelningsstrålen såsom av varandra obero- ende strålar och förlorar icke sin väsentlíga riktningsverkan, även om de omvandlas till en sammansatt stråle. I den efter- följande beskrivningen av uppfinningen komner finfördelnings- strålen endast att beskrivas, medan virvelstrålen lämnas obehandlad.

I den toroidformiga förbränningskammaren av tidigare känt Lil-, _ ___,_._..,.......-...- . .íxïïïv f, . .

Poor: 8003522-1 slag, som beskrivits ovan, kommer det finfördelade bränsle som insprutas i en luftström, vilken flyter i virvelform, en- bart att strömma i luftströmmens riktning under en förutbes- tämd tidsperiod och ingen tillfredsställande blandning av bränsle med luft kan erhållas, förrän virvelflödet störs, om virvlarna är riktade i en förutbestämd riktning, oberoende av hur stark SQ ach SW kan vara. Det har sålunda hittills varit nödvändigt att i en toroidformig förbränningskammare av tidigare känt slag börja bränslets insprutning väsentligt tidigare än vid den tidpunkt när kolven når den övre dödpunk- ten. Ett annat skäl, varför det tidigane har ansetts tillråd- ligt att börja bränsleinsprutningen relativt tidigt, är att det har ansetts att, om bränsleinsprutningen börjas relativt tidigt, det är möjligt att öka tidsperioden, innan förbränn- ingskammarens volym når'ett minimum, så att tillfredsställande blandning av det finfördelade bränslet med luften kan erhållas och samtidigt det atomiserade bränslets kombination med syre- molekyler underlättas i ett litet utrymme, som finns, innan kolven når den övre dödpunkten, så att en plötslig förbränning av blandningen kan inträffa, när kolven når den övre dödpunkt- en. Omvänt har det befarats att, om början av insprutningen av det finfördelade bränslet fördröjs till tidpunkten omedelbart pinnan kolven når den övre dödpunkten, kolven kommer att pass- era den övre dödpunkten och förbränningskammarens volym kommer att ökas, medan blandningen av de finfördelade partiklarna med luft, som strömar i virvelform, icke sker tillfredsställ- ande, så att därigenom dålig förbränning uppkommer i förbränn- ingskammaren. Om emellertid tillfredsställande förbränning inträffar, innan kolven når den övre dödpunkten, kommer plötslig tryckökning att åstadkomas och värdet för dp/dQ max komer att bli för högt, innan förbränningskammarens vo- lym minimeras. Samtidigt kommer maximitrycket även att bli alltför högt, vilket ogynnsamt påverkar cylinderns livslängd.

Vidare verkar trycket av den förbränningsgas som alstras i kammaren i en riktning, i vilken det stör kolvens uppåtriktadc rörelse, så att det icke blott åstadkommer en minskning av ' -den utvecklade effekten utan även medför buller och vibration.

Det är sålunda omöjligt.att börja insprutningen av det atomi- 'serade bränslet vid en tidig tidpunkt, utan att ägna uppmärk- .._._.... __... ___.;.: PooR QUALIÉF 8003622-1 het åt andra faktorer, som kan inverka på motorns prestation.

Sammanfattningsvis kan problemen med avseende på den toroidforndga förbränn- ingskamnaren enligt tidigare teknik samnanfattas enligt följande: Den starka SQ sm alstras, när kolven är i sitt uppåtriktade slag, ändrar icke sin flödesriktning, efter det att kolven har passerat den övre dödpunkten, och tillfredsställande blandning inträffar, när förbränningskammarens volym är relativt ökad, efter det att kolven har börjat sitt nedåtriktade slag eller, uttryckt på annat sätt, tar det lång tid, innan tillfredsställande blandning erhålls av det_atomiserade bränslet med luften efter insprutning av det atomiserade bränslet.

Det har nu överraskande visat sig att, genom bestämning av de ovan nämnda förhållandena inom förutbestämda områden av värden och avfasning av förbränningskammarens periferivägg, det är möjligt att bringa SQ att ändra sin riktning, efter det att kolven har passerat den övre dödpunkten, vilket har till re- sultat att energin hos en positiv SQ dämpas av energfin hos en negativ SQ. På grund av detta fenomen kan en tillfredställande blandning av det atomiserade bränslet med luften erhållas, även om början av bränsleinsprutningen fördröjs.

De ovan nämnda ävensom andra fördelar hos uppfinningen framgår tydligare genom följande detaljförklaring av den föredragna utföringsformen av uppfinningen i förbindelse med bifogade ritningar, på vilka fig. l visar en schematisk vertikalsektion av förbränninge- kammaren i en dieselmotor med direktinsprutning, innefattande en utföringsform av uppfinningen, fig. 2 visar ett diagram, utvisande ändringar i förhållandet av diametern i förbränningskammarens öppning och kolvens dia- meter i samband med ändringar av avgasutsläppens färg, fig. 3 visar ett diagram utvisande ändringar i förhållandet mellan diametern i förbränningskammarens öppning och förbränn- ingskammarèns djup i samband med ändringar i avgasutsläppens färg, \ñ“"v~»_i P “n “N-ff” 8003622-1 6 fig. 4 visar ett diagram över ändringar i lutningsvinkeln hos förbränningskammarens periferivägg med avseende på kolvens centrumaxel i samband med en maximihastighet för tryckstegring i cylindern, tid för bränsleinsprutningens början samt änd- ringar i bränsleförbrukning och avgasutsläppens färg, fig. 5a och Sb visar bilder för att förklara principen med att åstadkomma en ändring i riktningen hos luftströmmar i för- bränningskammaren genom att bringa förbränningskammarens peri- ferivägg att luta i förhållande till kolvens centrumaxel, och fig. 5c visar en förklaring av sambandet mellan kolvslaget samt riktningen och hastigeten hos SQ samt sambandet mellan kolvslaget och början och slutet av insprutningen av det atomiserade bränslet i en toroidformig förbränningskammare enligt tidigare teknik och den toroidformiga förbrännings- kammaren enligt uppfinningen. l En föredragen utföringsform av uppfinningen kommer nu att beskrivas genom hänvisning till bifogade ritningar. Fig l visar i sektion ett exempel på förbränningskammaren hos en dieselmotor med direktinsprutning, innefattande en kolv l, ett kolvhuvud 2, ett cylinderhuvud.3, ett spelrum 4 mellan kolvhuvudet 2 och cylinderhuvudet 3, en toroidformig förbränn- ingskammare 5, en toroid 6, en periferivägg 7 i förbränninge- kammaren 5, ett cylinderfoder 8, en cylinder 9, ett bränsle- insprutningsmunstycke 10 och atomiserat bränsle ll, som in- sprutas från munstycket 10. I fiiguren anger Dl diametern i förbränningskammarens 5 öppning, DO anger diametern av kolven , 1, H1 ståndet mellan toroidens 6 överdel och ytan av fiörbrännings- anger djupet i förbränningskammaren 5 och H2 anger av- kammarens 5 öppning. Såsom framgår av figuren, är förbränninge- kammarens 5 periferivägg 7ßlutande med en lutningsvinkel 6 i förhållande till kolvens l centrumaxel.

Principen med att bringa riktningen för en luftström att ändras i förbränningskammaren 5 genom lutning av periferi- väggen 7 i~förbränningskammaren 5 i förhållande till kolvens * l centrumaxel kommer att beskrivas med hänvisning till fig. 8005622-1 5a och 5b.

I fig. 5a som visar kolven l i rörelse uppåt mot den övre död- punkten komprimeras luften i spelrummet 4 mellan kolvhuvudet 2 och cylinderhuvudet 3 snabbt till bildande av en SQ, som strömmar i normal riktning.

Ytterligare förflyttning uppåt av kolven l mot den övre död- _punkten, såsom visas i fig. Sb, alstrar en SQ', som strömmar i backriktningen, och energin hos SQ dämpas medan de två mot- riktade luftstrïnmarna kraftigt slår anlnot varadra och luften anförs. Denna cmröring av luften fortsätter under en tid, efter det att kolven 1 har pass- enæzdenêwre döämnkbaicch börjat sin nedåtriktade rörelse.

Fig. 5c visar flödesriktningen och hastigheten hos SQ i för- hållande till kolvens slag i de tillstånd som anges i fig. 5a och 5b. I figuren representerar en kurva a förhållandena i en toroidformig förbränningskammare enligt tidigare teknik soch kurvan b anger förhållandena i förbränningskammaren enligt Lqmfimfingen . Såsom anges av kurvan Q, omvänds riktningen hos SQ, när kolven passerar den övre dödpunkten, och hastigheten hos SQ reduceras markant efter passage av kolvens övre död- punkt i förbränningskammaren 5 enligt uppfinningen. Såsom an- ges av linjen Q i fig. 5c och visas i fig. Sb, blâses det insprutade bränslet ll i atomiserade partiklar från insprut- ningsmunstycket 10 in i luftströmmen i omrört tillstånd så att blandning av de atomiserade bränslepartiklarna med luft kan uppnås tillfredsställande och förbränning börjar väsent- ligen vid den tid, när kolven l når den övre dödpunkten.

I en toroidformig förbränningskammare av tidigare känt slag inträffar ingen omröring av luftströmmen, såsom ovan beskrivits, så att det är nödvändigt att alstra en stor mängd av en bränn- bar luft-bränsleblandning före början av förbränning, vilket därigenom gör det nödvändigt att börja bränslennsprutningen tidigt, såsom anges av linjen Q i fig. 5c. I förbränninge- kammaren 5 enligt uppfinningen bringas luftströmmen i kammaren till omrört tillstànd, när riktningen för SQ ändras, så att det därigenom blir möjligt att erhålla tillfredsställande förbränning genom fördröjning av bränsleinsprutningens början, soosezz-1 8 såsom anges av linjen Q i fig. 5c. Bränsleinsprutningen fortsätter under en tid efter passage av den övre dödpunkten av kolven l och diffusion av det atomiserade bränslet genom hela cylindern erhålls så att god förbränning vid konstant tryck äger rum, när kolven rör sig nedåt. 5Det mest väsentliga momentet i det ovannämnda slaget av kolven l är den tidpunkt vid vilken bränsleinsprutningen skall äga rum eller just har ägt rum (fig. 5B), efter det att trycket av luft i cylindern 9 har nått en högsta nivåí Det har fast- ställts genom.utförande av olika experiment att, för att er- hålla tillfredsställande resultat, det är nödvändigt att icke blott periferiväggen 7 i förbränningskammaren 5 lutar i för- hållande till kokæms l centrumaxel, utan även att värdena av Dl/DO, Dl/H1 och Hi/H2 är i området mellan 0,45 och 0,6, 2,0 och 2,5 och 0,33 och 0,51 resp och att lutningsvinkeln 9 hos förbränningskammarens 5 periferivägg 7 i förhållande till kolvens l centrumaxel är i omrâdet mellan 5 och 200.

Resumtaten av dessa experiment kommer att beskrivas med hän- _ visning till fig. 2 till 4. Fig. 2 visar ändringar av värdet _Dl/Do i förhållande till färgen hos avgasutsläppen, när Dl/Hl = 2,21 (uten överieaaning) eller Di/nl = 2,42 (med överieadning) med 6 = 50. Sd (röktätheten) visar färgen hos avgasutsläppen, representerar den mängd av kol per volymenhet som bestäms med I en densitetsmätmetod enligt Bosch, vilken består i uppsamling av en förutbestämd mängd av avgasutsläppen genom filterpapper och optisk avläsning av arean av det kol som häftar vid filter- pappret. Värdet har sålunda ingen signifikans såsom ett absolut värde även om det är användbart vid jämfiörelse av pnmuesulunæn relativt varandra. Det har visat sig att Sd-vär- det är optimalt, när Dl/DO är i omrâdet mellan 0,5 och 0,55 med eller utan överladdning. Det framgår att Sd-värdet visar en relativt plötslig ökning, när Dl/Do är under 0,47 eller 0,6 med överladdning och när det är under 0,45 eller över 0,56 utan överladdning.

Fig. 3 visar ändringar i värdet av D]/H1 i förhållande till '-färgen hos avgasutsläppen, när G = 50 och Dl/DO = 0,562 _,___ra__¿ ...-....._w-.~. -»--.~,_.._. ,_ . -s fïïïäïïTf-*Pv D e- .rgU-ålå -. _ , w ~.-_... k; dra-mn .å 9 80036224 (med överladdning). Det visas att färgen hos avgasutsläppen är ljusast, när Dl/H1 är mellan 2,1 och 2,3, och plötsligt blir mörk, när det är under 2,0 eller över 2,5.

Såsom framgår av beskrivningen av fig. 5a till 5c, är lutnings- vinkeln 9 hos förbränningskammarens 5 periferivägg 7 i för- hållande till kolvens l centrumaxel (och följaktligen cylin- derns 9 centrumaxel) ett väsentligt kännetecken hos föreligg- ande uppfinning.

Fig. 4 visar en maximal tryckstegringshastighet i cylindern ((dp/dQ) max, enhet = kp/cmz/grad), framflyttning eller för- dröjung aven bränsleinsprutningstid T (vevaxelvinkel av (före övre dödpunkt), enhet = grad), en bränsleförbrukningshastig- het f (enhet = gram/hkh) samt ändringar i färg av avgasutsläpp- en Sd, som erhålls genom variation av lutningsvinkeln inom ett stort omrâde mellan -100 och 20c, när Dl/DO = 0,562 och _ Dl/H1 = 2,42 utan överladdning. Egenskaperna (dp/dQ) max f och Sd kan variera beroende på bränsleinsprutningstiden T.

Bränsleinsprutningstiden T representerar sålunda värden, som är optimala, för att erhålla förbättringar hos dessa egen- skaper genom alla förhållanden med avseende på lutningsvinkeln 6. Av fig. 4 kan man iaktta följande. (dp/dQ) max när ett minimum, när 9 är omkring 7,50, och stiger relativt långsamt, när 6 ökas på den positiva sidan, men stiger plötsligt, när 9 är under 30. T visar en största fördröjning, när 9 är omkring 70, visar plötligt en framflyttning, när 9 är omkring 40, och visar en långsam framflyttning, när 9 är omkring 170 eller blir högre. f når ett maximum, när 9 är i området mellan 0 och 50. Sd, som når ett minimum, när 6 är mellan 5 och 100, visar en markant ökning, när 6 blir mindre än -20 eller större än 120. När resultaten av proven betraktas, är det uppenbart att det är möjligt att reducera knackning, undertrycka buller, och göra avgasutsläppens färg ljusare utan att åstadkomma markant ökning i bränsleförbrukningen, när G är mellan 5 och 2o°, med fördel mellan 5 een 1o°. Det ken tilläggas ett lut- ningsvinkeln 6 hos den toroidformiga förbränningskammarens periferivägg enligt tidigare teinik i förhållandet till kolv- ens centrumaxel är OO eller att periferivinkeln är väsentligen ......._.-_..- _...;.,-. _,____ _ 'PQORf-'QUALITY 8603622-1 m en rät vinkel mot koivhuvuaet 2 och att e är 3° högst, när släppningen för kolvens gjutning tas i betraktande. Med hänsyn enbart till denna punkt är det lätt att inse att förbränningskamaren enligt uppfinningen har en ny egenskap jämfört med den tidigare tekniken. Vidare visar resultaten av experimenten att det är nödvändigt att välja ett lämpligt värde för H2/Hl för att bringa en toroidformig förbränninge- kammare att uppnå de bästa dríftresultaten. När värdet är under 0,33,:sker atomisering av bränslet icke smidigt, och när värdet är över 0,51, förlorar ägsin kraft. Vid båda fallen uppfyller anordningen icke uppfinningens ändamål.

Av beskrivningen ovan inses att föreliggande uppfinning _ möjliggör att början av bränsleinsprutningen kan fördröjas i encfiesampuner ned direktinsprutning genom förbättring av förbränningskammarens utformning, så att därigenom olika ' jbetydelsefulla problem löses, inklusive reduktion av buller, reduktion av röktätheten i avgasutsläppen etc. Det faktum att uppfinningens ändamål uppnås genom en enkel konstruktion led- * er till ökning av uppfinningens värde.

Vad som är väsentligt vid utförande av uppfinningen i prak- tiken är att välja lämpliga värden för förhållandet mellan diametern Dl i förbränningskamarens öppning och kolvens dia- meter Do samt förhållandet mellan diametern Dl i förbränninge- kammarens öppning och förbränningskammarens djup Hl. När lämpliga värden är valda för dessa förhållanden, kan förhåll- andet mellan avståndet H2 från toroidens överdel till ytan i förbränningskammarens öppning och djupet Hl i förbrännings- kammaren samt lutningsvinkeln 6 hos förbränningskammarens periferivägg i förhållande till kolvens centrumaxel bestämmas sekundärt.

Enligt uppfinningen har uppnåtts en reduktion av bullernivå och densitet hos avgasutsläppen, vilka hittills betraktats såsom brister hos en dieselmotor med direktinsprutning, genom en enkel konstruktion utan ogynnsam påverkan av motorns pres- tation. Uppfinningen kan anses ha stort värde vid medverkan -v.,..__.,.._.._-.,.._ v.. . . ll 8003622-1 till-utveckling av industrin, emedan förbränningskammaren enligt uppfinningen icke medför någon ökning av produktions- kostnaden för dieselmotorer med direktinsprutning. i . ---ä ...MW .. ...,-.<-,.,.,..._-...<.._. . *___ 1101332 I'í“'”ï

Claims (1)

1. 80-03622-1 12 Patentkrav Dieselmotor med direktinsprutning innefattande en kolv med en toroidfor~ med förbränningskammare (5), k ä n n e t e c k n a d därav, att förbränninge- kammaren uppvisar en periferiell vägg (7) som sträcker sig nedåt från kolvens översida till en förbindelse mellan den periferiella väggen och en bottenvägg av förbränningskammaren och som lutar kontinuerligt inåt mot förbränningskammaren över den periferiella väggens hela utsträckning, varvid förhållandet mellan diametrarna för förbränningskammarens öppning (DI) och kolvdiametern (Do) ligger inom området 0,45 och 0,6, samt att förhållandet mellan diametrarna för förbränningskammarens öppning (D1) och förbränningskammarcns djup (H1) ligger inom området 2,0 till 2,5, samt att förhållandet mellan avståndet (H2) från toppen av en toroid i förbränningskammaren till den yta, som bildar förbränningskammarens öppning och djupet (H1) på förbränningskammaren ligger 'inom området 0,33 till 0,51, samt att lutningsvinkeln (0) på förbrännings- kammarens periferivägg i förhållande till kolvaxeln ligger inom området 5° till 20°. Poon QUALÉHÉ