AT399917B - Dieselmotor mit direkter kraftstoffeinspritzung - Google Patents

Description

AT 399 917 B

Die Erfindung betrifft einen Dieselmotor mit direkter Kraftstoffeinspritzung, mit in jedem Zylinder vorgesehenen, vorzugsweise je zwei, Ein- und Auslaßventilen und einer Einspritzdüse mit einer größeren Zahl von Einspritzbohrungen, deren Achsen auf einem Kegelmantel liegen, der wenigstens annähernd die gleiche Achse wie der Zylinder hat, und der Brennraum sowohl kolbenseitig als auch in einem Bereich der 5 Mantelfläche desselben, der oberhalb des oberen Totpunktes des Kolbens liegt, mit einer Auskleidung aus hochhitzebeständigem Material, z.B. Keramikmaterial, versehen ist, wobei sich die Auskleidung kolbenseitig über die gesamte Stirnfläche des Kolbens erstreckt und die Auskleidung der Mantelfläche des Brennraumes durch einen Ring gebildet ist. Für Dieselmotoren mit direkter Einspritzung existieren im allgemeinen zwei Verfahren zum Mischen des io Kraftstoffes mit der Verbrennungsluft.

Bei dem einen Verfahren wird der Kraftstoff mit verhältnismäßig wenigen Strahlen aus einer annähernd in der Mitte des Brennraumes sitzenden Düse eingespritzt und ein erheblicher Teil der Mischung zwischen Kraftstoff und Luft dadurch bewirkt, daß die Luft im allgemeinen durch Formgebung des Kanals zum Einlaßventil eine relativ starke tangentielle Komponente und dadurch einen Drall um die Zylinderachse is erhält. Dadurch wird dem Strahl seitlich Verbrennungsluft zugeführt und die Gemischbildung verbessert.

Beim zweiten Verfahren, nach welchem auch der erfindungsgemäße Dieselmotor arbeitet, wird der Kraftstoff ebenfalls durch eine etwa in der Zylinderachse liegende Düse, aber mittels einer größeren Zahl von Düsenbohrungen eingespritzt. Die Achsen der Düsenbohrungen liegen dann in einem Kegelmantel mit größerem Öffnungswinkel, der seine Achse in der Achse des Zylinders hat oder dessen Achse je nach den so konstruktiven Gegebenheiten doch möglichst nahe der Zylinderachse und möglichst wenig dazu geneigt ist. Die Strahlen haben einen verhältnismäßig kleinen Abstand, sodaß eine genügende Aufteilung des Kraft-sotffes auf die Verbrennungsluft dadurch erfolgen kann, daß der Kraftstoff Verbrennungsluft mitreißt und die mitgerissene Luft eine Verbrennung des Kraftstoffes mit dem für vollkommene Verbrennung notwendigen Luftüberschuß bewirkt. Die Strahlen werden beim Austritt aus der Düse durch die starke Reibung zwischen 25 Kraftstoffstrahl und Luft infolge der hohen Geschwindigkeitsdifferenz in feine Tröpfchen zerrissen. Durch die Reibung zwischen den Kraftstofftröpfchen und der Luft wird die Luft beschleunigt, der Kraftstoff verzögert. Die Luft ist durch die Kompression hoch erhitzt und überträgt Wärme an die Kraftstofftröpfchen. Diese werden dadurch bis zur Verdampfung erhitzt, sodaß nach einer bestimmten länge der Kraftstoffstrahlen die Verdampfung beginnt. Durch die Verdampfung wird das Volumen des Kraftstoffes wesentlich vergrößert und 30 damit die Reibungsflächen zwischen Kraftstoff und Luft vergrößert. Dadurch erfolgt ein wesentlich erhöhter Geschwindigkeitsaustausch zwischen Kraftstoff und Luft, gleichzeitig auch ein erhöhter Austausch von Wärme zwischen beiden. Wenn die Entzündungstemperatur des Kraftstoffes erreicht wird, beginnt dieser zu brennen. Dabei wird das Volumen des Kraftstoff-Luftgemisches weiter vergrößert und der Geschwindigkeitsaustausch zwischen Kraftstoff und Luft weiter erhöht, bis sich das brennende Kraftstoffdampf-Luftgemisch 35 annähernd mit gleicher Geschwindigkeit bewegt. Durch die Turbulenz der Strömung wird die Verbrennung beschleunigt.

Diese Vorgänge des Mitreißens von Luft, der Verdampfung des Kraftstoffes durch den Wärmeübergang von der Luft und der Verbrennung des Kraftstoffdampf-Luftgemisches, benötigen eine verhältnismäßig lange Wegstrecke, wenn nicht noch flüssige, unverbrannte Kraftstoffteile auf die Wand gelangen sollen. 40 Beim Auftreffen von flüssigen Kraftstoffteilen auf die Wände, wo sie sich insbesondere bei kleinen Belastungen des Motors ablagern können und dann nicht verbrennen, wird der CH-Gehalt des Auspuffgases erhöht.

In der DE-PS 454 809 sind Dieselmotoren der eingangs genannten Art beschrieben, bei welchen die Wärmeabgabe aus dem Brennraum über deren Brennwände nach außen durch Auskleidung der Wandun-, 45 gen mit hitzebeständigem Metall, steinartigen Massen oder Asbest vermindert wird. Bei Verwendung von Metall zur Auskleidung ist entweder die Oberfläche des auskleidenden Metalls spiegelnd ausgeführt oder es werden Metalle mit wesentlich geringerer Wärmeleitfähigkeit als Gußeisen, z.B. Legierungen von Chrom, Nickel und Eisen, verwendet, zum Zweck, eine Wärmestauung in der Oberfläche der Auskleidung zu erzielen. Dabei ist der den Brennraum begrenzende Kolbenboden eben ausgeführt, sodaß die Kraftstoff-50 strahlen auf einem relativ kleinen zentralen Teilbereich des Kolbenbodens auftreffen und daher verhältnismäßig kurz sind. In weiterer Folge ergeben sich dabei wegen ungenügender Mischung von Verbrennungsluft und Kraftstoff und relativ hohen Verbrennungstemperaturen verhältnismäßig hohe Schadstoffanteile, insbesondere an CH-Stoffen, im Auspuffgas.

Eine ähnliche Auskleidung des Brennraumes aus Keramikmaterial zeigt die US-PS 3 408 995. Aufgrund 55 des auch hier ebenen Kolbenbodens treten dieselben oben genannten Nachteile auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den CH-Gehalt des Auspuffgases insbesondere bei niedrigen Motorbelastungen zu reduzieren. Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, die Gemischbildung und Verbrennung dadurch zu verbessern, daß durch bauliche Maßnahmen die Kraftstoffstrahlen möglichst lange 2

AT 399 917 B ausgeführt und in den Brennraumbegrenzungswänden Wärme aufgestaut wird, welche während des Gemischbildungsvorganges teilweise wieder abgegeben wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Auskleidung des Brennraumes kolbenseitig in an sich bekannter Weise aus einem am Oberteil des Kolbens befestigten kegelförmigen Körper besteht, und daß dieser kegelförmige Körper dem den Zylinderkopf nach unten begrenzenden Boden mit seinem in der Mitte liegenden Teil am nächsten ist, wobei dieser in der Mitte liegende Teil der Auskleidung des Kolbens deren Randzone überragt und die Kegelmanteifläche des kegelförmigen Körpers etwa parallel zur unteren Begrenzung der Kraftstoff strahlen verläuft, und daß der Ring, dessen Innendurchmesser kleiner ist als der Durchmesser des Kolbens, mit Ausnehmungen im Bewegungsbereich der Ventile versehen ist, die nach unten durch radiale bzw. axiale Vorsprünge begrenzt sind, die mit dem Ring bzw. dem am Oberteil des Kolbens befestigten kegelförmigen Körper aus einem Stück bestehen. Es wird dabei erreicht, daß die Kraftstoffstrahlen bei gegebenem Zylinderinhalt verhältnismäßig lang werden und die zusätzlich erwärmte Luft vom Strahl nach außen bewegt wird, wo die Bedingungen für die Verbrennung günstig sind. Eine Anlagerung von Kraftstoffteilen an der Wand wird durch frühere Verdampfung oder spätestens durch Verdampfung an der Wand verhindert. Durch entsprechend abgestimmte Düsenbohrungen (Durchmesser, Länge) kann erreicht werden, den Kegelwinkel der Strahlen und den Kegeiwinkel des hochhitzebeständigen Kolbenoberteiles aufeinander abzustimmen.

Aus der GB-PS 2 061 383 ist es zwar bekannt, am Oberteil des Kolbens einen zum Teil kegelförmigen Körper zu befestigen. Der kegelige Teil ist in diesem Fall allerdings als zentrale Erhebung einer Brennraum-mulde ausgebildet und erstreckt sich nicht über die gesamte Stirnfläche des Kolbens, weshalb eine frühzeitige Anlagerung des Kraftstoffes an der Brennraum wand auftritt.

Bei gewissen Ausführungen kann es zweckmäßig sein, den Ring in einer bis zum Zylinderkopfboden hochgezogenen Zylinderbüchse anzuordnen und den Zylinderkopfboden durchgehend eben auszuführen. Je nach Anwendungsfall und gesetzlichen bzw. Markterfordernissen kann es auch vorteilhaft sein, wenn auch der Zylinderkopfboden und/oder die Ventilteiler brennraumseitig eine Auflage aus hochhitzebeständigem Material aufweisen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn, in weiterer Ausgestaltung der Erfindung, der Kegelwinkel des am Kolbenoberteil befestigten kegelförmigen Körpers zwischen 130- und 160°, vorzugsweise zwischen 140* und 150" beträgt.

Eine Ausführungsform gemäß der Erfindung besteht darin, daß der am Kolbenoberteil befestigte kegelförmige Körper im Bereich der Zyiinderachse eine Abflachung aufweist. Diese kann mit einer Abrundung in die Kegelmantelfläche übergehen. Damit wird erreicht, daß die Kraftstoffstrahlen nicht mit Teilen auf den inneren Bereich des am Kolbenoberteil befestigten kegelförmigen Körpers auftreffen, wo für die Verbrennung ungünstige Bedingungen herrschen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können der am Kolbenoberteil befestigte kegelförmige Körper und/oder der den Brennraum radial begrenzende Ring an ihren dem Brennraum abgewendeten Seiten Ausnehmungen zur Materialeinsparung aufweisen.

Die Erfindung wird nachstehen anhand der Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Fig. 1 zeigt die erfindungswesentlichen Teile eines Dieselmotors im Axialschnitt, Fig. 2 eine Ansicht des Zylinderkopfes nach Fig. 1 von unten und die Fig. 3, 4 und 5 je ein anderes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung in der gleichen Schnittführung wie Fig. 1, aber in vergrößerter Darstellung.

Das nur angedeutete Kurbelgehäuse ist mit 1, die darin eingesetzte Zylinderbüchse mit 2 und der angedeutete Zylinderkopf mit 3 bezeichnet. Am Oberteil des Kolbens 4 ist an der dem Brennraum 5 zugewendeten Seite ein kegelförmiger Körper 6 aus hochhitzebeständigem Werkstoff, wie z.B. Keramikmaterial, an einem zylindrischen Ansatz 4' des Kolbens 4 zentriert und mittels mehrerer Durchgangsschrauben 7 mit dem Kolben fest verbunden. Die Durchgangsschrauben 7 greifen je in eine Büchse 8 aus Metall ein, welche in den kegelförmigen Körper 6 eingelassen sind.

Bei der in Fig. 1 daigestellten Ausführung gemäß der Erfindung ist der den Brennraum 5 nach außen begrenzende Ring 10 mit Ausnehmungen 11 versehen, sodaß die Bewegung der in Fig. 2 nur durch die Achsen 19 und 20 angedeuteten Ventile möglich ist. In diese Ausnehmungen 11 können die Vorsprünge 12 eintreten, welche mit dem kegelförmigen Körper 6 aus einem Stück bestehen.

Die Einspritzdüse 21 besitzt beim vorliegenden Ausführungsbeispiel zehn über den Umfang gleichmäßig verteilte Einspritzbohrungen, die so ausgeführt sind, daß die Kraftstoffstrahlen 22 mit ihrer oberen Begrenzung 22' mit dem Boden 9 des Zylinderkopfes 3 einen Winkel 23 einschließt, der etwa 2 · beträgt. Die untere Begrenzung 22" der Kraftstoffstrahlen 22 verläuft etwa parallel zur Kegelmantelfläche 16; der Öffnungswinkel der Kraftstoffstrahlen 22 ist mit 24 bezeichnet und beträgt etwa 16". Durch die Abflachung 15 des kegelförmigen Körpers 6 wird erreicht, daß die Kraftstoffstrahien 22 erst möglichst spät, wenn überhaupt, auf der Mantelfläche 16 des kegelförmigen Körpers 6 auftreffen. 3

Claims (5)

1. AT 399 917 B Der kegelförmige Körper 6 und der Ring 10 können, wie in der Zeichnung dargestellt, voll hergestellt werden. Es ist aber auch möglich, zur Einsparung von hochhitzebeständigem Material, den kegelförmigen Körper 6 mit einer Ausnehmung 17 zu versehen, wie in Fig. 1 strichpunktiert angedeutet. Ebenso können am Ring 10 außen Ausnehmungen 18 vorgesehen werden, durch welche eine verhältnismäßig dünne Wand an der dem Brennraum 5 zugekehrten Seite entsteht. In Fig. 2 zeigen die strichpunktiert eingezeichneten Linien die Begrenzung der Ausnehmungen 18 an. Die Ausführung nach Fig. 3 unterscheidet sich von jener nach Fig. 1 und 2 dadurch, daß die Vorsprünge 12 mit dem Ring 10 einstückig ausgeführt sind. Zwischen den Vorsprüngen 12 und dem am Oberteil des Kolbens 4 befestigten kegelförmigen Körper 6 aus hochhitzebeständigem Material entsteht ein Spalt 25, aus dem die Luft bzw. die brennende Kraftstoff-Luftmischung im Sinne des Pfeiles 26 in den Brennraum 5 gequetscht wird, was den Verbrennungsablauf verbessert. Der gleiche Effekt kann auch mit anderen konstruktiven Lösungen erreicht werden. Die Ausführung nach Fig. 4 entspricht jener nach Fig. 1 und 2, mit dem Unterschied, daß hier der Zylinderkopfboden 9' eben und die Achse 21’ der Düse 21 gegenüber der Zylinderachse 14 geneigt ist. Die Ausführung nach Fig. 5 entspricht wiederum jener nach Fig. 3, wobei ebenfalls der Zylinderkopfboden 9' eben und die Achse 21' der Düse 21 gegenüber der Zylinderachse 14 geneigt ist. Bei den beiden Ausführungen nach Fig. 4 und 5 ist trotz geneigter Düsenachse 21' die Lage der Kraftstoffstrahlen 22 die gleiche wie bei den Ausführungen nach Fig. 1 bis 3. Die Erfindung betrifft vor allem einen teilisolierten Motor, wobei der Zylinderkopf und die Ventile an ihrer dem Brennraum zugewendeten Seite nicht mit hochhitzebeständigem Material beschichtet sind, daher in der Ausführung wesentlich einfacher sind als bei einer total wärmeisolierten Bauweise. Bei der nur teilweisen Isolierung ist der CH-Gehalt in den Abgasen trotzdem wesentlich kleiner als bei ' der nicht isolierten Ausführung. Bei dieser Ausführung muß der Zylinderkopf gekühlt werden, was meistens mit Wasser erfolgen wird. Dadurch wird die Aufheizung der Einlaßluft geringer, was einen höheren Liefergrad zur Folge hat und es wird das angeschlossene Rohrwerk niedrigere Temperaturen haben als bei der vollisolierten Bauart. Außerdem wird die angeschlossene Abgasturbine bei einer aufgeladenen Maschine mit dem auch für konventionelle Motoren üblichen Material ausgeführt werden können. Es ist selbstverständlich auch möglich, den Motor vollisoliert auszuführen und den Zylinderkopf und die Ventile an der dem Brennraum zugekehrten Seite mit hochhitzebeständigem Material zu bekleiden. Je nach Anwendungsfall und gesetzlichen bzw. Markterfordernissen wird die eine oder andere Ausführung vorzuziehen sein. Über die beschriebenen Ausführungsbeispieie hinausgehend sind im Rahmen der Erfindung noch zahlreiche Ausführungsvarianten möglich. So kann z.B. der am Oberteil des Kolbens befestigte kegelförmige Körper aus hochhitzebeständigem Material anstatt angeschraubt eingegossen sein. Patentansprüche 1. Dieselmotor mit direkter Kraftstoffeinspritzung, mit in jedem Zylinder vorgesehenen, vorzugsweise je zwei, Einund Auslaßventilen und einer Einspritzdüse mit einer größeren Zahl von Einspritzbohrungen, deren Achsen auf einem Kegelmantel liegen, der wenigstens annähernd die gleiche Achse wie der Zylinder hat, und der Brennraum sowohl kolbenseitig als auch in einem Bereich der Mantelfläche desselben, der oberhalb des oberen Totpunktes des Kolbens liegt, mit einer Auskleidung aus hochhitzebeständigem Material, z.B. Keramikmaterial, versehen ist, wobei sich die Auskleidung kolbenseitig über die gesamte Stirnfläche des Kolbens erstreckt und die Auskleidung der Mantelfläche des Brennraumes durch einen Ring gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung des Brennraumes (5) kolbenseitig in an sich bekannter Weise aus einem am Oberteil des Kolbens (4) befestigten kegelförmigen Körper (6) besteht, und daß dieser kegelförmige Körper dem den Zylinderkopf (3) nach unten begrenzenden Boden (9) mit seinem in der Mitte liegenden Teil am nächsten ist, wobei dieser in der Mitte liegende Teil der Auskleidung des Kolbens (4) deren Randzone überragt und die Kegelmantelfläche (16) des kegelförmigen Körpers (6) etwa parallel zur unteren Begrenzung (22") der Kraftstoffstrahlen (22) verläuft, und daß der Ring (10), dessen Innendurchmesser kleiner ist als der Durchmesser des Kolbens (4), mit Ausnehmungen (11) im Bewegungsbereich der Ventile versehen ist, die nach unten durch radiale bzw. axiale Vorsprünge (12) begrenzt sind, die mit dem Ring (10) bzw. dem am Oberteil des Kolbens (4) befestigten kegelförmigen Körper (6) aus einem Stück bestehen.
2. 2. Dieselmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Ring (10) in einer bis zum Zylinderkopfboden (9') hochgezogenen Zylinderbüchse (2) angeordnet und der Zylinderkopfboden (9*) durchgehend eben ist. 4 AT 399 917 B
3. 3. Dieselmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelwinkel (13) des kegelförmigen Körpers (6) zwischen 130" und 160", vorzugsweise zwischen 140' und 150* beträgt.
4. 4. Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der kegelförmige 5 Körper (6) im Bereich der Zyiinderachse (14) eine Abflachung (15) aufweist.
5. 5. Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der kegelförmige Körper (6) und/oder der den Brennraum (5) radial begrenzende Ring (10) an ihren dem Brennraum (5) abgewendeten Seiten Ausnehmungen (17,18) zur Materialeinsparung aufweisen. io Hiezu 2 Blatt Zeichnungen i S SO SS 30 35 40 45 50 5 55