DE4118458A1 - Brennraum einer brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennraum bei einer Brennkraftmaschine und insbesondere eine spezielle geometrische Form eines Kolbenmulden-Brennraums.

Bei herkömmlichen Brennräumen einer Dieselmaschine (Selbstzündermaschine) hängt die Menge des im Verbrennungsprozeß entstehenden schädlichen Abgases von der Art des eingespritzten Kraftstoffs und der geometrischen Form des Brennraums, in welchem der eingespritzte Kraftstoff mit Luft vermischt wird, und insbesondere von der Kolbenmuldenform des Brennraums ab. Brennraum-Kolbenmulden liegen in einer Vielfalt von Formen vor, z. B. in flacher Schüsselform, in Toroidform, in (gefalteter) Hohlraumform (reentrant shape), in Meurer-Form, in Kugelform, in Viereckform usw.; außerdem gibt es Abwandlungen dieser Formen.

Tiefe Brennraum-Kolbenmulden besitzen eine Tendenz zur Emission einer großen Menge an Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden und zu einer starken Rauchentwicklung beim Beschleunigen der Maschine. Mitteltiefe Brennraum-Kolbenmulden verschiedener Formen werden allgemein bei kleinen und mittelgroßen Brennkraftmaschinen vorgesehen (vgl. JP-Patentveröffentlichung (B2) Nr. (Sho)60-56 893). Von hohlraumartigen oder gefalteten (reentrant) Kolbenmulden ist bekannt, daß sie eine bessere Vermischung von Kraftstoff mit Luft aufgrund einer am Ende des Verdichtungshubs des Kolbens auftretenden besseren Quetsch- Luftbewegung oder -Luftverwirbelung (squish air motion) gewährleisten.

Zur Erzielung optimaler Verbrennung ist oder wird der Brennraum so ausgestaltet, daß der eingespritzte Kraftstoff primär mit dem gegebenen Luftwirbel vermischt und im Brennraum verbrannt wird, worauf der dabei entstehende Rauch (Polymer) nachverbrannt wird und auch unverbrannte Kohlenwasserstoffe sowie Kohlenmonoxid gleichzeitig mit der richtigen Menge an Restluft nachverbrannt werden. Auch wenn Rauch, Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid einer sekundären Nachverbrennung unterworfen und dabei ihre Mengen oder Anteile deutlich verringert werden, kann der Verbrennungsprozeß im Sinne einer Verringerung der Entstehung von Stickoxidverbindungen eingestellt bzw. geregelt werden. Zum Einblasen der Sekundärluft kann ein weiteres Lufteinblasventil eingebaut werden, doch liefert dies keine zufriedenstellenden Ergebnisse. Da die Zeitdauer des Verbrennungsprozesses äußerst kurz ist und die Diffusionsverbrennung, während welcher die Sekundärluft benötigt wird, kürzer ist als dieser Verbrennungsprozeß, gestalten sich die Einstellung der Einspritzzeit und die Einstellung oder Regelung der Einblasluftmenge in Abhängigkeit von der Maschinenbelastung, nämlich der Kraftstoff- Einspritzmenge, sehr kompliziert.

Es wäre daher höchst wünschenswert, irgendeinen Brennraum zur Verfügung zu haben, in welchem Luft nicht für die Anfangs-Verbrennungsstufe oder -phase, sondern (nur) für die Diffusionsverbrennungsperiode genutzt wird. Tatsächlich hängt eine solche Anordnung von der geometrischen Form des Brennraums ab. Unter den Möglichkeiten für die Ausgestaltung der genannten Anordnung liefert das Vorsehen eines vertieften Raums in der Bodenfläche der Mulde keine zufriedenstellenden Ergebnisse, weil der Kraftstoff vor dem Auftreten der Verbrennung in diesen Raum eindringt und diesen füllt; üblicherweise wird der Kraftstoff von der Oberseite des Brennraums zum Boden der Mulde eingespritzt, wenn auch mit einer gewissen Neigung oder Schrägstellung, und der Einspritzdruck ist dabei sehr hoch. Wenn jedoch der vertiefte Raum senkrecht zur Richtung der Aufwärts- und Abwärtsbewegung des Kolbens angeordnet und der Kraftstoff so eingespritzt wird, daß er auf die Wand der Brennraum-Kolbenhauptmulde auftrifft, strömt der eingespritzte Kraftstoff durch den Drall in Kreisen unter Verwirbelung und Verbrennung, so daß die im Raum vorhandene Luft nicht für die Anfangsverbrennungsphase, sondern für die Diffusionsverbrennungsphase genutzt wird.

Aus diesem Grund wurde der Viereckform-Brennraum für toroid- oder ringwulstförmige Kolbenmulden entwickelt; er ist jedoch nicht nur mit dem Mangel behaftet, daß die erforderliche Sekundärluftmenge nicht optimiert werden kann, vielmehr ist auch die Kraft der Wirbelströmung nicht groß genug, um die Sekundärluft für das Erreichen des angestrebten Ziels zu nutzen, während der Anlaß des Raums gemäß Fig. 4A dekonzentriert (dispersed) ist (vgl. JP-Patentveröffentlichung (B2) Nr. (Sho) 60-24 289).

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines Brennraums für eine Dieselmaschine, dem die vorstehend geschilderten Mängel nicht anhaften und der einen besseren Nutzungsgrad der Sekundärluft als ein Viereckform- Brennraum gewährleistet und dabei bei Anwendung der Erfindung auf eine toroidförmige bzw. ringwulstförmige Brennraum-Kolbenmulde eine ganz erhebliche Senkung von Schadstoffemissionen, wie Stickoxiden, erbringt.

Gegenstand der Erfindung ist ein ringwulstförmiger Brennraum, der im Boden eines Kolben einer Kraftstoffeinspritz-Dieselmaschine ausgebildet ist, der gekennzeichnet ist durch einen Hauptbrennraum in Form einer Kolbenmulde eines Durchmessers d im Bereich des 0,522- bis 0,552fachen des Kolbendurchmessers D mit mehreren vom oberen zum unteren Ende des Hauptbrennraums durchgehend ausgebildeten, ausgebuchteten Neben(brenn)räumen einer tunnelartigen Form und eines halbkreisförmigen Querschnitts, wobei die Halbkreisform eine Grundlinie mit einem Radius im Bereich von 0,095D- 0,200D oder 0,179d-0,370d aufweist und auf einem am Umfang eines Kreises liegenden Punkt zentriert ist, dessen Radius im Bereich von 0,105D-0,238D oder 0,190d-0,446d vom Zentrum des Hauptbrennraumumkreises liegt, und wobei jeder Nebenraum zwischen jeweils zwei Einspritzstrahlen liegt.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Brennkraftmaschinen-Brennraums gemäß der Erfindung zur Verdeutlichung seiner geometrischen Form in der Richtung senkrecht zu der Achse des Kolbens,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Luftströmung im Kolben-Brennraum gemäß der Erfindung,

Fig. 3 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Teilschnittansicht des erfindungsgemäßen Brennraums im tatsächlichen Betriebs- bzw. Montagezustand zur Veranschaulichung der Kraftstoffausbreitung bzw. -verteilung und

Fig. 4A und 4B schematische Darstellungen für einen Vergleich der Luft-Wirbelbewegungen an den Ecken von senkrecht zur Kolbenachse ausgebildeten Mulden im Fall einer Viereckmulde und einer toroid- oder ringwulstförmigen Kolbenmulde.

Gemäß den Fig. 2 und 3 erfolgt die Kraftstoffeinspritzung auf die bei S angedeutete Weise unter hohem Druck über eine in einem Zylinderkopf H montierte Kraftstoff-Einspritzdüse N in die Mulde eines im oberen Ende bzw. Boden eines Kolbens P ausgebildeten Brennraums C. Dabei erfolgt eine Ausbreitung oder Verteilung des Kraftstoffs durch einen im Hauptbrennraum C entstehenden Drall oder Wirbel T in Richtung des Wirbels längs der Wand des (im Kolbenboden geformten) Brennraums, worauf der Kraftstoff gezündet und verbrannt wird. Bei der Ausbreitung und Verbrennung des durch den Wirbel bzw. Drall erzeugten Kraftstoff-Luftgemisches dehnt sich die Luft in Neben(brenn)räumen CA, die jeweils zwischen Kraftstoff-Einspritzstrahlen S liegen, aufgrund der Wärmeübertragung vom Hochtemperatur-Verbrennungsgas aus, und sie dringt in Richtung des Zentrums des Hauptbrennraums unter Erzeugung von Impulsen und Hervorbringung einer guten Vermischung von Sekundärluft mit brennenden brennbaren Bestandteilen ein.

Die in der Mulde auftretende Sekundärluftbewegungserscheinung, die eine Vermischungswirkung in der Diffusionsverbrennungsphase bewirkt, ist in den Fig. 4A und 4B dargestellt. Fig. 4A zeigt einen Schnitt-Teil einer bisherigen Viereckform-Mulde, in welcher ein an den Ecken der Mulde auftretender Wirbel DE so verteilt (diffused) ist, daß die Eindringwirkung der Luft zum Zentrum der Mulde zu gering ist, um eine Vermischung mit den brennbaren Bestandteilen zu bewirken. Bei dem in Fig. 4B gezeigten erfindungsgemäßen Brennraum ist dagegen die bzw. jede tunnelartige Ausnehmung, die von der Oberseite der Kolbenmulde bis zu deren Boden ausgebildet ist, so mit vorspringenden Kanten CP geformt, daß sie eine Art Raum bildet, der frische Luft enthalten kann, die während des Verbrennungsprozesses erwärmt und ausgetrieben (explored) wird und in Richtung auf das Zentrum der Kolbenmulde vordringt, was eine ausgezeichnete Vermischung mit den brennbaren Bestandteilen in der Diffusionsverbrennungsphase ergibt.

Als Ergebnis erfolgt eine Diffusionsverbrennung mit hohem Wirkungsgrad; außerdem wird das Verbrennungsgas unter Verringerung der Entstehend von Stickoxiden und unter gleichzeitiger Verbrennung der restlichen brennbaren Bestandteile gekühlt. Dieser Sekundäreffekt hängt von Form, Größe und Lage des Nebenraums CA ab; die Zahl der Nebenräume CA hängt von der Zahl der Kraftstoff-Einspritzstrahlen ab. In jedem Fall soll ein Strahl S jeweils auf eine Stelle zwischen den Ausnehmungen der Nebenräume CA auftreffen.

Die geometrische Form der im Kolbenboden vorgesehenen Brennraum-Kolbenmulde gemäß der Erfindung läßt sich wie folgt definieren:
Zunächst besitzt der Hauptbrennraum C einen Durchmesser d im Bereich des 0,522- bis 0,552fachen des Kolbendurchmessers D. Der Nebenraum CA weist eine vom oberen zum unteren Ende des Hauptbrennraums C durchgehende tunnelartige Form eines halbkreisförmigen Querschnitts mit einer Grundlinie des Radius A im Bereich von 0,095D-0,200D oder 0,179d-0,370d auf. Diese Halbkreisform ist auf einem auf einem Umfang eines Kreises liegenden Punkt zentriert, dessen Radius B im Bereich von 0,10D-0,238D oder 0,190d-0,446d vom Zentrum a des Hauptbrennraumumkreises liegt, wobei jeder Nebenraum jeweils zwischen zwei Einspritzstrahlen liegt. Obgleich in der Zeichnung vier Nebenräume CA dargestellt sind, ist die Erfindung ersichtlicherweise nicht auf diese spezielle Ausgestaltung beschränkt. Unter Festlegung der oben beschriebenen, das Wesen der Erfindung bildenden geometrischen Form des Brennraums durchgeführte Versuche zeigten, daß der Ausstoß an Stickoxiden, Kohlenmonoxid, unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Rauch deutlich verringert war. Beim erfindungsgemäßen Brennraum beträgt die Ausstoßmenge an NO_x 230-273 ppm (Teile pro Million Teile), gemessen nach der Testmethode gemäß der in Korea und Japan gültigen Schadstoffkontrollverordnung, d. h. sie ist deutlich niedriger als der zulässige Grenzwert für Korea (850 ppm) oder Japan (540 ppm). Der CO-Ausstoß liegt mit 349 ppm unter den in Korea und Japan zulässigen Grenzwerten. Die Bosch-Rauchzahl oder -grenze (smoke Bosch) beträgt 4 und ist damit niedriger als der zulässige Grenzwert von 5. Der erfindungsgemäße Brennraum gewährleistet damit eine überraschende Wirkung. Das Ergebnis ist erheblich besser als beim (gefalteten) Hohlraumform-Brennraum (reentrant type combustion chamber) z. B. nach der US-PS 45 38 566. Außerdem ist die erfindungsgemäße Ausgestaltung fertigungsgünstiger als die zuletzt genannte Brennraumform.

Claims (1)

1. Ringwulstförmiger Brennraum, der im Boden eines Kolbens einer Kraftstoffeinspritz-Dieselmaschine ausgebildet ist, gekennzeichnet durch einen Hauptbrennraum in Form einer Kolbenmulde eines Durchmessers d im Bereich des 0,522- bis 0,552fachen des Kolbendurchmessers D mit mehreren vom oberen zum unteren Ende des Hauptbrenners durchgehend ausgebildeten, ausgebuchteten Neben(brenn)räumen einer tunnelartigen Form und eines halbkreisförmigen Querschnitts, wobei die Halbkreisform eine Grundlinie mit einem Radius im Bereich von 0,095D-0,200D oder 0,179d- 0,370d aufweist und auf einem am Umfang eines Kreises liegenden Punkt zentriert ist, dessen Radius im Bereich von 0,105D-0,238D oder 0,190d-0,446d vom Zentrum des Hauptbrennraumumkreises liegt, und wobei jeder Nebenraum zwischen jeweils zwei Einspritzstrahlen liegt.