DE19645913C2

DE19645913C2 - Brennraum mit gegenseitigen Drallen für Verbrennungskraftmaschinen

Info

Publication number: DE19645913C2
Application number: DE19645913A
Authority: DE
Inventors: Berthold Prof Dr Ing Gruenwald; Dietmar Prof Dr In Ueberschaer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-11-07
Filing date: 1996-11-07
Publication date: 1999-04-08
Anticipated expiration: 2016-11-08
Also published as: DE19645913A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Brennräume für Dieselmotoren mit direkter und indi rekter Kraftstoffeinspritzung (Vorkammermotoren), für Ottomotoren mit äußerer Ge mischbildung, für Ottomotoren mit direkter Kraftstoffeinspritzung, für Ottomotoren mit einer Vorkammer im Zylinderkopf (Schichtlademotoren) und für Hybridmotoren.

Die Brennräume von Diesel- und Ottomotoren sind entsprechend dem jeweiligen Gemischbildungs- bzw. Verbrennungsverfahren konstruiert und haben dadurch be kanntlich verfahrensbedingte Nachteile.

Bei Dieselmotoren mit direkter Kraftstoffeinspritzung ist der Muldenbrennraum im Kolbenboden so angeordnet, daß eine Gasbewegung in radialer Richtung, die soge nannte Radialgasbewegung, im Bereich des oberen Totpunktes (o. T.) erzeugt wird. Die Gemischbildung und Verbrennung erfordert einen ausgeprägten Ladungsdrall (Luftdrall), der durch eine entsprechende Konstruktion des Ansaugsystems erzielt wird. Dadurch vermindert sich der Liefergrad (Füllungsgrad) infolge von Strömungs verlusten, was zu einer reduzierten Motorleistung führt; die Gestaltung des Ansaug systems ist aufwendig.

Der erzwungene Ladungsdrall bewegt sich nur in einer Richtung. Eine gleichmäßige Verteilung des Kraftstoff auf die Luft ist dadurch nicht möglich. Es entstehen Berei che mit unterschiedlicher Kraftstoffkonzentration, die zu einer erhöhten Schadstoffe mission (HC, CO und PM) insbesondere der Ruß- und Partikelemission führen.

Bei Ottomotoren kommt am häufigsten ein Muldenbrennraum, der im Kolbenboden und/oder im Zylinderkopf angeordnet ist, zur Anwendung. Mit Hilfe der Brennraum gestaltung, in Form von Quetschflächen, wird im Bereich des o. T. eine Radialgas bewegung erzielt. Diese ist allerdings nicht ausreichend um eine genügend große Verbrennungsgeschwindigkeit zu erzielen. Dadurch verlängert sich die Verbren nungsdauer weit in den Expansionstakt hinein, was zu einer Verringerung des Wir kungsgrades führt. Dieser Nachteil ist besonders ausgeprägt im Teillastbereich, bei niedrigen Drehzahlen und bei Magerbetrieb (überstöchiometrisches Gemisch, λ < 1) des Ottomotors.

Bei neueren Entwicklungen wird durch sogenannte Schaftsaugrohre und/oder durch die Gestaltung des Ansaugsystems, ähnlich wie beim Dieselmotor, ein Ladungsdrall erzeugt und damit die Verbrennungsgeschwindigkeit erhöht. Beide Maßnahmen sind sehr aufwendig und verringern gleichzeitig den Liefergrad vor allem im oberen Dreh zahlbereich und damit die Leistung des Ottomotors.

Zur Erhöhung der Verbrennungsgeschwindigkeit wurden auch Brennräume patentiert (z. B. US 5 065 715 und DE 27 32 005), die zur Intensivierung der Turbulenz gleich zeitig Radial- und Tangentialgasbewegungen im Bereich des o. T. erzeugen. Ein er heblicher Nachteil dieser Brennräume ist die Überlagerung beider Gasbewegungen, wodurch eine geordnete Zuführung der Luft zum Kraftstoff oder des Kraftstoffs zur Luft nicht möglich ist. Im Gegensatz zu diesen Patenten wurde im Patent DE 41 27 617 C1 der Brennraum so gestaltet, daß nur sehr schwache Radial- und Tangential gasbewegungen vorkommen. Dagegen wird die Trennung der einzelnen Kraft stoffstrahlen im Brennraum streng gewahrt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kraftstoffstrahlen im Brennraum zu trennen, so daß eine geordnete Zuführung der Luft zu den einzelnen Kraftstoffstrah len möglich ist. Im Vergleich zu den aufgeführten Patenten und zu den bekannten Brennräumen (z. B. mulden-, wannen- und halbkugelförmige Brennräume) verhindert der neue Brennraum vor allem die Radialgasbewegung. Im Brennraum wird ausschließlich eine Ladungsbewegung in tangentialer Richtung, die sogenannte Tangentialgasbewegung, erzeugt. Diese wird in Form von gegenseitigen Drallen geschaffen und erreicht die höchste Intensität im Bereich des oberen Totpunktes. Das Zusammenstoßen der gegenseitigen Dralle intensiviert die Gemischbildung zwischen Kraftstoff und Luft und beschleunigt gleichzeitig die Verbrennung, was zu einem erhöhten Wirkungsgrad und zu einem verminderten Schadstoffausstoß führt. Ein Ladungsdrall, der durch eine aufwendige Konstruktion des Ansaugsystems erzeugt wird, ist nicht mehr erforderlich.

Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 bis 6 aufgeführten Merkmale und durch die nachfolgend dargestellte und beschriebene Brennraumkonstruktion, gelöst.

Brennraumkonstruktion

Im Kolbenboden Kb und/oder im Zylinderkopf Zk werden zwei oder mehrere offene Radialkanäle K (Bild 1.1 und 1.2), verschiedenster geometrischer Form, die vom Zentrum des Kolbenbodens bis zu einem bestimmten Abstand vom Kolbenboden kreisumfang ausgeweitet und gleichmäßig um die Achse A des Zylinders Zy verteilt sind, hergestellt. In Bild 1.3 und 1.4 sind als Beispiel zwei unterschiedliche geome trische Formen dargestellt. Der Brennraum ist insbesondere für Drei-, Vier- und Fünf- Ventilmotoren geeignet, da bei diesen Motoren die Einspritzdüse Ed (Bild 1), die Zündkerze Zü (Bild 2), oder die Vorkammer Vk (Bild 3), zentral im Brennraum ange ordnet ist. Die Anzahl i der Radialkanäle entspricht dabei der Anzahl der Kraft stoffstrahlen der Einspritzdüse bzw. der Anzahl der Flammenstrahlen der Vorkam mer. Die Kraftstoffstrahlen bzw. die Flammenstrahlen dringen teilweise oder insge samt in die Kanäle ein. Durch die Anordnung der Kanäle wird eine gleichmäßige Kraftstoffverteilung im Brennraum erzielt.

Arbeitsgasbewegung

Bei dem neuen Brennraum wird der für die Gemischbildung und Verbrennung erfor derliche Ladungsdrall dadurch erzeugt, daß das Arbeitsgas während des Kompres sionstaktes in die Radialkanäle gequetscht wird (Bild 1.2 und 2, 2). In jedem Kanal werden jeweils zwei Dralle D, also insgesamt 2 × i Arbeitsgasdralle, erzeugt. Die bei den Dralle (ein Drallpaar) eines Radialkanals strömen gegeneinander (Bild 1.2). Teilweise durchdringen die beiden Dralle die Kraftstoffstrahlen bei direkter Kraftstoffeinspritzung bzw. die Flammenstrahlen bei Vorkammermotoren und teil weise umgeben sie diese. Dadurch wird die Luft gleichmäßig und geordnet um den Kraftstoffstrahl verteilt. Bei Ottomotoren mit äußerer Gemischbildung wird durch die sen Vorgang das Gemisch zusätzlich homogenisiert und die Turbulenz erhöht.

Im Bereich des oberen Totpunktes (o. T.) werden die Dralle verstärkt. Die Winkelge schwindigkeit ω_D der gegenseitigen Dralle kann mehrfach größer als die Winkelge schwindigkeit ω_K der Kurbelwelle werden. Sie ist direkt proportional zur Motordreh zahl und umgekehrt proportional zum Abstand h zwischen Kolbenboden und Zylin derkopf im Bereich des oberen Totpunktes. Sie ist auch umgekehrt proportional zur Anzahl und zum Volumen der Kanäle. Unter Berücksichtigung aller Parameter ergibt sich für die Winkelgeschwindigkeit ω_D ein Höchstwert.

Im Expansionstakt kehrt sich die Richtung der Drallbewegung um (Bild 2.3). Die Dralle bestehen jetzt aus Flammengas, Heißgas, Heißluft, Kraftstofftröpfchen und/oder Kraftstoffdampf. Jeweils zwei Dralle aus zwei verschiedenen Radialkanälen stoßen zusammen und durchdringen sich. Das gegenseitige Durchdringen der Heiß gasströmungen erhöht die Verbrennungsgeschwindigkeit und verkürzt damit die Ver brennungsdauer.

Der neue Brennraum ermöglicht die Steuerung der Gemischbildung und Verbren nung durch die Variation des Verhältnisses zwischen dem gesamten Volumen der Radialkanäle und dem Kompressionsvolumen des Brennraumes sowie durch die geometrische Form der Radialkanäle.

Anwendung bei Dieselmotoren mit direkter Kraftstoffeinspritzung

Bei dem neuen Brennraum wird die für die Gemischbildung und Verbrennung erfor derliche Arbeitsgasbewegung (Drallbewegung), wie oben beschrieben, durch die Quetschflächen zwischen den Radialkanälen im Kolbenboden oder Zylinderkopf er zielt. Dadurch entfällt die aufwendige Konstruktion des Ansaugsystems; der Liefer grad erhöht sich.

Durch die erzwungene Drallbewegung und das Zusammenstoßen von zwei gegen seitigen Drallen im Kompressionstakt wird die Luft geordnete und gleichmäßig zum Kraftstoffstrahl geführt. Gleichzeitig wird eine Luftbewegung um und durch den Kraft stoffstrahl erzielt. Infolgedessen verbessert sich die Gemischbildung. Die Luftausnut zung erhöht sich bei Vollast.

Durch die Umkehrung der Drallbewegung im Expansionstakt wird der Gemischbil dungsprozeß zusätzlich verbessert und die Verbrennungsgeschwindigkeit insbeson dere im letzten Teil der Verbrennung erhöht.

Es ergeben sich folgende Vorteile:

- kleinerer Hubraum bei gleicher Leistung
- geringerer Kraftstoffverbrauch
- verringerte Ruß- und Partikelemission
- reduzierte NOx-Emission bei Vollast

Anwendung bei Ottomotoren

Ist bei Ottomotoren die Zündkerze im Zentrum des Brennraumes angeordnet, dann ist von folgendem Modell der Verbrennung auszugehen:

Der Flammenkern entsteht rund um die Zündkerze und ist sehr stabil, da die Ge mischbewegung an dieser Stelle gering ist. Die Flamme breitet sich gleichmäßig in radialer Richtung aus (Bild 2.1 und 2.2). Die gegenseitigen Gemischströmungen (Dralle) treffen sich in den Radialkanälen und stoßen zusammen, wodurch die Ge mischbildung intensiviert und die Turbulenz erhöht wird. Infolge der zunehmenden Turbulenz, erhöht sich die Flammengeschwindigkeit in den Radialkanälen. Im Expansionstakt kehren sich die Dralle um und die Flammenfronten breiten sich oberhalb des Kolbenbodens aus. Danach stoßen die gegenseitigen Flammenfronten zusammen und durchdringen sich (Bild 2.3). Die Verbrennung findet jetzt in der Tiefe der turbulenten Flammenfronten statt, wodurch die Verbrennungsgeschwindigkeit erhöht und infolge davon die Verbrennungsdauer verkürzt wird.

Es ergeben sich folgende Vorteile:

- erhöhter Wirkungsgrad, insbesondere im Teillastbereich und bei niedrigen Drehzahlen, infolge der verkürzten Brenndauer
- verringerte Klopfneigung durch die erhöhten Ladungsturbulenzen
- höhere Drehzahlen, da die Flammengeschwindigkeit proportional der Drehzahl steigt
- reduzierte Schadstoffemissionen (NOx, CO, HC) infolge stabilerer Zündung
- reduzierte Schadstoffemissionen (NOx, CO, HC) durch Gemischverdünnung infolge erhöhter Ladungsturbulenzen
- verbesserte Steuerung der Gemischbildung und Verbrennung durch Variation des Verhältnisses zwischen dem Gesamtvolumen der Radialkanäle und dem Kompressionsvolumen des Brennraumes
- vereinfachtes Ansaugsystem

Anwendung bei Ottomotoren mit einer Vorkammer

Bei Ottomotoren mit einer Vorkammer im Zylinderkopf (Schichtlademotoren), wird in der Vorkammer ein unterstöchiometrisches ("fettes") Gemisch gebildet und die Ver brennung durch Fremdzündung eingeleitet. Die Flammenstrahlen des "fetten" Gemi sches strömen aus den Vorkammeröffnungen und dringen in die Radialkanäle ein (die Anzahl i der Radialkanäle entspricht dabei der Anzahl Flammenstrahlen der Vor kammer) und entzünden das "magere" Gemisch in den Kanälen bzw. im Hauptbrenn raum. Durch die erzwungene Drallbewegung im Kompressionstakt wird das "ma gere" Gemisch im Hauptbrennraum gleichmäßig und geordnet zum Flammenstrahl geführt.

Im Expansionstakt breiten sich die Flammenfronten (Flammenströmungen) oberhalb des Kolbenbodens als umgekehrte Dralle mit großer Geschwindigkeit aus und je weils zwei Dralle aus zwei verschiedenen Radialkanälen stoßen zusammen und durchdringen sich. Dadurch wird die Verbrennungsgeschwindigkeit erhöht und die Verbrennungsdauer verkürzt. Das ermöglicht eine verstärkte Gemischverdünnung, die zu einer geringeren Schadstoffemission und zu einem erhöhtem Wirkungsgrad im Teillastbereich führt.

Claims

1. Brennraum mit gegenseitigen Drallen für Verbrennungskraftmaschinen dadurch gekennzeichnet, daß

1. zwei oder mehrere offene Radialkanäle im Kolbenboden/Zylinderkopf angeordnet und am Umfang gleichmäßig verteilt sind;
2. sich die Radialkanäle im Mittelpunkt des Kolbenbodens/Zylinderkopfs treffen und im Querschnitt von verschiedenster Form sind;
3. die Flächen zwischen den Radialkanälen, die gleichmäßig am Umfang verteilt sind, Quetschflächen bilden und nur eine Tangentialgasbewegung in Form von gegenseitigen Drallen erzeugen;
4. die gegenseitigen Dralle in der Kompressions- und Expansionsphase im Bereich des oberen Totpunktes (o. T.) zusammenstoßen.

2. Brennraum nach Anspruch 1, für Dieselmotoren mit direkter Kraftstoffeinspritzung, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Radialkanäle der Anzahl der Kraft stoffstrahlen entspricht, in die ein Teil oder der gesamte Kraftstoff eingespritzt wird.

3. Brennraum nach Anspruch 1 für Ottomotoren mit zentraler Zündkerze und äußerer Gemischbildung, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Radialkanäle mindestens zwei beträgt.

4. Brennraum nach Anspruch 1 für Ottomotoren mit zentraler Zündkerze und direkter Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder oder in den Brennraum, gegen Anfang oder Ende des Verdichtungshubes, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Radialkanäle mindestens zwei beträgt.

5. Hauptbrennraum nach Anspruch 1 für Otto- und Dieselmotoren mit einer zentralen Vorkammer im Zylinderkopf, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Radialka näle der Anzahl der Vorkammeröffnungen entspricht.

6. Brennraum nach Anspruch 1 für Hybridmotoren bei denen der Kraftstoff gegen Ende des Verdichtungshubes eingespritzt und das Gemisch fremd gezündet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Radialkanäle mindestens zwei beträgt.