DE2234561C2

DE2234561C2 - Dieselmotor

Info

Publication number: DE2234561C2
Application number: DE2234561A
Authority: DE
Inventors: Lee Roy Hardesty; James Alfred Cedar Falls Ia. Sharpsteen
Original assignee: Deere and Co
Current assignee: Deere and Co
Priority date: 1971-07-16
Filing date: 1972-07-14
Publication date: 1983-04-07
Also published as: JPS5546487B1; GB1359794A; US3954089A; CA967839A; DE2234561A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Dieselmotor mit einem im Kolben vorgesehenen offenen Brennraum, einer mindestens eine Düsenbohrung aufweisenden Einspritzdüse sowie einer Luftzuführvorrichtung, wobei die Luft bei Erreichung einer bestimmten Winkelstellung vor dem oberen Totpunkt als Quetschströmung in den Brennraum eintritt und die Oberfläche des Kolbens eine zum Brennraum koaxial angeordnete, ringförmige, nach innen geneigt verlaufende Ausdrehung aufweist, die mit der Stirnfläche des Zylinderkopfs einen spitzen Winkel bildet, wobei die Achsen der Einspritzbohrungen mit der Oberfläche des Kolbens einen Winkel kleiner als 25" bilden und die Achsen der Einspritzbohrungen die Wand des Brennraumes in etwa gleichem Absland (H) unterhalb der Oberfläche des Kolbens schneiden.

Es ist ein Verbrennungsmotor mit direkter Kraftstoffeinspritzung und Verdichtungszündung bekannt (DE-OS 15 26 337), der mit einer Einspritzdüse ausgerüstet ist, die mit Bezug auf die Mittellinie des Brennraumes schrägvei laufend und versetzt angeordnet ist, und deren Kraftstoffstrahlen weitgehcndst senkrecht zum Umfangswirbel verlaufen. Der Brennstoffraum ist hierzu kugelförmig ausgebildet und im oberen Ende des Kolbens vorgesehen. Diese Vorkehrungen genügen nicht um die schädlichen Abgasbestandteile auf ein Minimum herabzusetzen. Bei einer ähnlich ausgebildeten Einspritzbrennkraftmaschine (DE-OS 15 76 018) ist der Brennraum im oberen Ende des Kolbens zylinderförmig ausgebildet und die zugehörige Einspritzdüse schrägverlaufend angeordnet, so daß die Aufprallstelle der Düsenstrahlen auf der Brennkammerwand alle den gleichen Abstand zur Oberfläche des Kolbens aufweisen. Außerdem Ist es bekannt (Kraftfahrzeugtechnik, Heft 10, 1968), daß die Intensität des Dralls die Gemischbildung und die Leistung des Motors beeinflußen, wobei bei schwächerem Wirbel die Leistungen des Motors günstiger sind als man bisher annahm. Für die Untersuchungen wurde dabei darauf hingewiesen, daß der Kolbenspalt ebenfalls einen Einfluß auf die Motorleistung hat, wobei bei wachsendem Spaltluftanteil eine Verminderung der für die Gemischbildung bedeutsamen Drallgeschwindigkeiten auftrat.

Bei einer Einspritzbrennkraftmaschine (CH-PS 2 11 350) der eingangs aufgeführten Art ist der Kolben mit einer offenen kugelförmig ausgebildeten Brennkammer versehen, die über eine vertikalverlaufende Düse mit Brennstoff versorgt wird. Die Oberfläche des Kolbens weist eine zur Brennkammer koaxial angeordnete, ring-

förmig nach innen geneigt verlaufende Ausdrehung auf, die mit der Oberfläche des Zylinderkopfes einen Winkel von ca. 10" bildet. Besondere Vorkehrungen zur Verringerung der schädlichen Bestandteile der Abgase sind jedoch nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abgasverbesserung, insbesondere eine Herabsetzung der schädlichen Abgasbestandteile, wie Slickstoffoxyde, Kohlenwasserstoffe und ähnliche Bestandteile, unter Beibehaltung eines hohen Wirkungsgrades zu erreichen. Diese i<> Aufgabe ist dadurch gelöst worden, daß das Verhältnis des Durchmessers (Di) des Kolbens zu dem durch die Wand des Brennraumes gebildeten Durchmesser (D₂) zwischen dem Betrag aus V 2,0 nach dem Betrag aus ν 3,5 liegt, der Zwischenraum zwischen der Oberfläche li des Kolbens und der Oberfläche des Zylinderkopfes im oberen Totpunkt unter Vollastbedingungen kleiner als 0,05 cm ist, der Winkel der nach innen geneigt verlaufenden Ausdrehung kleiner als 1" ist. die Achsen der Einspritzbohrungen mit der Oberfläche des Kolbens 2<i Winkel bilden, die nicht alle gleich sind, die durch das Einlaßventil einströmende Luft eine Drallgeschwindigkeit zwischen 3000 und 6000 U/min aufweist, die Einspritzdüse eine auf 1,1 bis 1,6 mm' pro Winkelgrad zunehmende Brennstoffmenge bei einer Kurbelwellen- 2Ί verstellung von 5^U dem Brennraum zuführt und diese bis zu einer Kurbelwellenverstellung von 8° konstant hält und dann während einer Kurbelwellenverstellung zwischen 7° und 12° allmählich absenkt, das Verhältnis zwischen Länge und Durchmesser der Einspritzbohrungen jo zwischen 1,5 und 2,5 liegt. Auf diese Weise können auch bei sehr hoher Motorleistung die Abgaswerte für Stickstoff reduziert werden. Ferner wird durch die vorteilhafte Ausbildung ein kontrollierter Verbrennungsablauf bei kleinerer Temperatur erzielt werden, so daß nur noch in kleinen Mengen Stickstoffoxyd in den Abgasen auftritt. Diese schädlichen Abgasbestandteile werden ferner durch die vorteilhafte Ausbildung des Kolbens mit der zugehörigen Eindrehung, der Bemessung des Zwischenraumes zwischen der Oberfläche des Kolbens und der w Oberfläche des Zylinderkopfes im oberen Totpunkt, sowie durch die vorteilhafte Anordnung der Einspritzbohrungen herabgesetzt. Durch das vorteilhafte Verhältnis des Durchmessers des Kolbens zu dem durch die Wand des Brennraumes gebildeten Durchmesser und durch die Lage der Düsennadel wird während des Einspritzvorganges des Brennstoffes ein äußerst gutes Brennstoffiuftgemisch erzielt. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, daß die Luft spiralförmig in d.'.n Etrennraum eintritt, so daß durch das Auftreten des Brennstoff- V) Strahles auf die verwirbelte Luft ein optimales Brennstoff-/Luftgemisch erreicht werden kann. Auch durch die richtig dosierte Quetschströmung bei einer oberen Stellung des Kolbens wird eine optimale Beschleunigung der in den Brennraum eintretenden Luft gewährleistet, so ■>■> daß insbesondere bei diesen Abmessungen in Verbindung mit den übrigen Merkmalen des Verbrennungsmotors ein höherer Prozentsatz an Luft im Brennraum zur Verfügung gestellt werden kann. Hierzu ist es vorteilhaft, daß der Winkel zwischen der Ausdrehung und der Ober- m> fläche des Kolbens größer als 0,1" und kleiner als 0,6° ist. Nach einem weiteren Merkmal ist es vorteilhaft, daß die beiden diametral gegenüberliegenden Achsen der Einspritzbohrungen mit der Oberfläche des Kolbens einen gleich großen Winkel und die beiden anderen diametral -> gegenüberliegenden Achsen der Einspritzbohrung mil der Oberfläche des Kolbens Winkel bilden, die unterschiedlich groß sind. Da der Brennstoffstrahl im gleichen Abstand zur Oberfläche des Kolbens auf die Wand des Brennraumes auftriffl, wird eine gleichmäßige Vermischung des Brennstoffes mit der Luft gewährleistet, was ebenfalls zu einer einwandfreien Verbrennung führt, wobei gleichzeitig schädliche Abgasbestandteile, insbesondere Stickstoffoxyde, klein gehsUcn werden können. Eine weitere Verbesserung des Verbrennungsprozesses und Steigerung des Wirkungsgrades sowie eine Verringerung der schädlichen Abgasbeslandteile kann dadurch erreicht werden, daß die in den Zylinder eingeführte Luft in Form eines Dralls sich mit einer Diallgeschwindigkeil zwischen 3200 und 5000 U/min dreht. Hierzu ist es ferner vorteilhaft, daß die in den Zylinder eintretende Luft einen Drall hat, der sich mit einer Drallgeschwindigkeit zwischen 3300 und 4800 U/min dreht, wenn das Einlaßventil in etwa maximal geöffnet ist. Außerdem ist es vorteilhaft, daß die in den Zylinder eintretende Luft einen Drall hat, der sich mit einer Drallgeschwindigkcit zwischen 3000 und 5000 U/min dreht.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, daß die in den Zylinder eintretende Luft einen Drall hat, der sich mit einer Drallgeschwindigkeü zwischen 3400 und 4500 U/min dreht. Außerdem ist es vorteilhaft, daß das Verhältnis des Durchmessers (Di) des Kolbens und des Durchmessers (D₂) des Brennraumes zwischen dem Betrag aus \ 2,2 und dem Betrag aus \ 3,3 liegt.

In der nachfolgenden Beschreibung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes beschrieben und in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Turboladers mit Zwischenkühler für einen Dieselmotor.

Fig. 2 einen vertikalen TeilschniU durch einen Zylinderkopf und einen Kolben mit einem Brennraum, wobei ein Teil des Zylinderkopfes zur Veranschaiilichung des Einlaßventiles fortgelassen ist,

Fig. 3 einen Axialschnitt durch die üüsenspilze.

Fig. 4 eine Ansicht der Düscnspiize von unten.

Fig. 5 eine schematische Darstellung des Kolbens von oben mit dem Brennstoffstreubild im Brennraum, wobei die gestrichelten Linien die Lage des Ein- bzw. Ausiaßventiles andeuten,

Fig. 6 eine schematische Darstellung ähnlich wie in Fig. 5, jedoch im kleineren Maßstab, in der der Luflwirbel dargestellt ist, und zwar 10" vor Erreichung des oberen Totpunktes,

Fig. 7 einen Teilschnitt durch den Brennraum des Kolbens gemäß Fig. 6 mit einer schematischen Darstellung der Luftwirbelbildung,

Fig. 8 einen Schnitt durch den Brennraum des Kolbens im oberen Totpunkt,

Fi g. 9 eine Teildraufsicht der Oberfläche des Zylinderkopfes,

Fig. 10 einen Schnitt entlang der Linie 10-10 gemäß Fig. 9,

Flg. 11 ein graphisches Schaubild der eingespritzten Brennstoffmenge, das über die Kurbelwinkelgrade aufgetragen ist,

Fig. 12 eine graphische Darstellung des Anstieges der Kohlenoxydverbindungen in Abhängigkeit der Verbrennungstemperatur und des Luft/Brennstoffverhältnisses.

In der Zeichnung ist ein Vierlakt-Dieselmotoi mit 10 bezeichnet, der in Fig. 1 schematisch dargestellt ist und eine Auspuffleitung 12, eine Abgasturbine 14 und einen Turbolader 16 aufweist. Die Abgasturbine 14 treibt ein Turt^gebläse 18 an, das Luft über den Luftfilter 20 erhält und aufgeladene Luft zur Einlaßleitung über einen Zwischenkühler 22 leitet, der die aufgeladene Luft kühlt bevor sie in eine Ansaugleitung 52 gelangt (Fig. 2).

Der Dieselmotor 10 ist mit einem Zylinderblock 24 und einem Zylinderkopf 26 ausgerüstet, der eine Hache Oberfläche 28 und eine zugehörige Zylinderkopldichtung 30 aufweist, um die Oberfläche 28 des Zylinderkopfes 26 gegen die Oberfläche des Zylinderblockes 24 abzudlchten. Der Zylinderblock 24 besteht aus mehreren einzelnen, identischen Zylindern 32. Aus diesem Grund ist nur ein Zylinder, und zwar der obere Teil des Zylinderblokkes 24 und der untere Teil des Zylinderkopfes 26 veranschaulicht (Fi g. 8).

Ein Kolben 34, der im Zylinder 32 einen Hub von 12,06 cm hat, weist Kolbenringnuten 36 zur Aufnahme von Kolbenringen auf. Der Kolben 34 weist eine gegenüber der Oberfläche 28 des Zylinderkoples 26 liegende Oberfläche 38 auf, in dem ein ringförmiger Brennraum is 40 vorgesehen ist, der im Bereich der Oberfläche des Kolbens durch eine ringförmige koaxial zum Zylinder 32 liegende Kante 42 begrenzt wird. Die zylinderförmige Wand des Brennraumes 40 verläuft parallel zur Achse des Kolbens 34 bis sie in einen Boden 46 übergeht, der kegelförmig ausgebildet ist. Der kegelförmige Teil des Bodens 46 bildet mit der Oberfläche 38 des Kolbens einen Winkel von 18". Die Spitze 48 des kegelförmigen Teils des Bodens 46 liegt auf der Mittelachse des Kolbens 34. Die Tiefe des Brennraumes 40 ist so gewählt, daß ein Verdichtungsverhältnis von 16,4 zu 1 gewährleistet ist. Der in Fig. 8 mit D₂ angegebene Durchmesser des Brennraumes 40 beträgt 7,11 cm und der mit D, angegebene Durchmesser der Bohrung des Zylinders 32 beträgt 10.8 cm, so daß das Verhältnis des Quadrates des Durchmcssers D₁ zu D₁ 2,3 betrügt. Ein brauchbares Verhältnis kann auch zwischen 2,0 und 3,5 bzw. zwischen 2,2 und 3.3 liegen.

Wie aus der nachfolgenden Beschreibung hervorgeht, ist es besonders vorteilhaft, daß der Abstand zwischen der oberen Oberfläche 38 des Kolbens 34 und der Oberfläche 28 des Zylinderkoples 26 im oberen Totpunkt ein Minimum aufweist. Dieser Abstand in Fig. 8 mit F angegeben und beträgt im Ausführungsbeispiel bei Volllast 0.0254 cm. obwohl auch ein Abstand bis zu 0.0508 cm geeignet ist. Da der Kolben 34 aus verschiedenen Materialien hergestellt ist und heißer als der Zylinderblock 24 wird, hat sich herausgestellt, daß der Kolben 34 bei einer bestimmten Materialzusammensetzung zwischen 0,0762 cm und 0.089 cm wachsen kann, so daß bei Volllast der Abstand zwischen den entsprechenden Flächen kleiner als 0.0254 cm ist, während der Abstand bei statischen Verhältnissen 0,1016 cm groß ist. Ferner hat sich herausgestellt, daß der mittlere Teil des Kolbens 34 stärker wächst als der äußere Teil des Kolbens. Um diese Ausdehnung des Kolbens 34 zu kompensieren, weist er eine nach innen geneigt verlaufende, ringförmige, koaxial zum Brennraum 40 angeordnete Ausdrehung 5ö auf. Die Ausdrehung 50 steigt \on innen nach außen an und bildet mit der Horizontalen einen kleinen Winkel. Gemäß Fig. 8 ist die Neigung der Ausdrehung 50 zur besseren Darstellung ein wenig übertrieben dargestellt, jedoch beträgt der zwischen der Ausdrehung und der Oberfläche gebildete Winkel zwischen 0° und 22', so daß ein zusätzlicher Zwischenraum von 0,01524 cm im Bereich des Brennraumes geschaffen wird, wobei der äußere Durchmesser der geneigt verlaufenden Ausdrehung in etwa 10,16 cm beträgt.

Im Zylinderkopf 26 ist die Ansaugleitung 52 und eine Auspuffleitung 54 vorgesehen, die an einer Seite 56 des Zylinderkopfes 26 offen somit mit dem Einlaß- und Auslaßkrümmer verbunden sind. Ein Einlaß- und Auslaßventil 58 und 60 sind in der Ansaugleitung 52 und Aus pul Heilung 54 vorgesehen, und zugehörige Ventilstößel erstrecken sich nach oben durch den Zylinderkopf 26.

Wie aus Fig. 5 hervorgeht, weisen die Ventile 58 und 60 auf der gleichen Seite der Zylinderachse einen gleichen Abstand zur Zylinderachse auf. Die durch die Ventile 58 und 60 verlaufende Mittelebene ist somit mit einem kleinen Abstand zur Mittelachse des Zylinders versetzt angeordnet. Die Ansaugleitung 52 ist derart ausgebildet, daß sie vor Eintritt der Luft in den Zylinder 32 einen Drall um die Ventilachsc bildet. Die Lage des Ventiles 58 mit Bezug auf die Mittelachse des Zylinders 32 begünstigt zusätzlich eine Verwirbelung der Luft innerhalb des Zylinders. Dabei dreht sich die Luft bzw. die Luftspirale um die Zylinderachse in Richtung des Pfeiles gemäß Fig. 5. Die LuI!spirale wird normalerweise als Drall bzw. als Wirbel bezeichnet und der Drall ist derart gesteuert, daß die durchschniüliche Strömungsgeschwindigkeit in etwa 3800 U/min aufweist, die in einem Durchmesser von 0,7 des Durchmessers der Bohrung des Zylinders 32 in einer Tiefe des Zylinders, die gleich dem Hub des Kolbens 34 entspricht, erfaßt ist. Hierzu ist das Einlaßventil zwischen 55"., und 100'«.. geöffnet. Die Luftgeschwindigkeit kann über ein Flügelradwindmeßgerät, das in der eingangs beschriebenen Tiefe des Zylinders 32 angeordnet ist, ermittelt werden, wobei der Abstand zwischen dem Mittelpunkt der Flügelräder 0,7 D, Zylinderdurchmesser beträgt. Die oben beschriebene Dral!geschwindigkeit kann durch die Lage der Ventile und durch die Ausbildung der Ansaugleitung 52 bestimmt werden. Obwohl 3800 U/min Drallgeschwindigkeit beim vorliegenden Ausführungsbeispiel gemessen wurden, kann die Drallgeschwindigkcit auch zwischen 3400 und 3900 U/min liegen. Bei anderen Verhältnissen von Zylinderdurchmesser zu Brennraumdurchmesser und anderem Brennstoffeinspritzblldern werden andere Draügeschwindigkeiten bevorzugt, und zwar können Drallgeschwindigkeiten zwischen 3000 bis 6000L'/min vorteilhaft sein, obgleich kleinere Bereiche zwischen 3200 bis 5000 oder 3300 bis 4800 oder 3400 bis 4500 bevorzugt werden.

Die Drallbildung setzt sich fort bis das Einlaßventil geschlossen wird. Nachdem das Ventil geschlossen ist, nimmt während des Verdichtungshubes die Strömungsgeschwindigkeit der Luft zu, da sie in den Brennraum 4(1 gepreßt wird und der Durchmesser des Dralls im Brennraum 40 kleiner ist als der Durchmesser des Dralls im Zylinder 32. Die Luftströmung im Brennraum 40 wird normalerweise als Quetschsirömung bezeichnet. Die Drallbildung, ungefähr 10⁼ vor dem oberen Totpunkt oder vor Erreichung des maximalen Kolbenhubes, ist schematisch in Fig. 6 veranschaulicht, während Fig. 7 eine Seitenansicht des Dnlls zeigt. Wie aus Fig. 7 hervuiycin. wirü uic i_üil. Vr'cnri sie z'AisCiieri ^ic wi/CrnüCnC 38 des Kolbens 34 und die Oberfläche 28 des Zylinderkopfes 26 strömt, stark beschleunigt. Je kleiner der Abstand zwischen der Oberfläche 38 des Kolbens 34 und der Oberfläche 28 des Zylinderkopfes 26 ist, desto größer ist die Luftströmung, so daß durch den oben beschriebenen Minimalabstand eine optimale Maximal-Quetschströmung erzielt wird. Die Luftdurchflußmenge wird auch durch das Verhältnis des Durchmessers des Brennraumes zum Durchmesser des Zylinders bestimmt.

Etwa zwischen 10 und 15° vor dem oberen Totpunkt wird während des Verdichtungshubes Brennstoff über eine mit 64 bezeichnete Einspritzdüse in den Zylinder eingespritzt. Die Einspritzdüse 64 erstreckt sich unter einem Winkel durch den Zylinderkopf 26. Die Einspritzdüse 64 besteht aus einem Düsenkörper 66 mit einer

Düsenspitze 68, die sich durch die Oberfläche 28 des Zylinderkopfes 26 erstreckt und in den Zylinder 32 hineinragt. Das Ende der Düsenspitze 68 ist halbkugelförmig und hohlförmig ausgebildet und in der hohlförmigen Einspritzdüse 64 befindet sich ein konischer Ventilsitz 70, auf dem eine entsprechende Düsennadel 72 aufsitzt. Die Mittelachse der Einspritzdüse 64 bildet mit der Mittelachse des Zylinders 32 einen Winkel von 24^C und die Düsenspitze 68 weist einen geringen Abstand zur Mittellinie des Zylinders 32 auf. Die schräg verlaufende Einspritzdüse 64 ist derart angeordnet, daß sie nicht mit den Ventilen im Zylinderkopf 26 kollidiert. Der Winkel zwischen der Achse des Zylinders 32 und der Achse der Einspritzdüse ist durch dun Buchslaben ./ in Fig. 3 bezeichnet. Wie aus den Fig. 3 und 4 hervorgeht, weist die

I ^U.-H-lt.ilM.i C \»l» VH.I /.JIIIIUIIJCiIC U I I IJ IM I I / t Ui I 11 U I IgC 1 I it.

75. 76 und 77 auf. die in der Wand der Düsenspilze vorgesehen sind. Die Achsen der Bohrungen 74 bis 77 schneiden sich im Mittelpunkt des Halbkreises der Düsenspitze. Der Halbkreis liegt im vorliegenden Fall etwa 0,39 cm unter der Oberfläche 28 des Zylinderkopfes 26. Der Abstand ist in Fig. 3 mit dem Buchslaben (i be/eichnel. Die Bohrungen 74. 75, 76, 77 weisen \orzugsweise einen Durchmesser von 0,033 cm auf und die 2i Wandstärke der Düsenspilze beträgt 0.071 cm. Das Verhältnis zwischen dem Durchmesser der Düsenbohrung und seiner Länge beeinflußt während des Einspritzvorganges den Mischungsvorgang. Die Länge der Düsenbohrung ist durch den Buchstaben /. (Fig. 3) kenntlich ·'> gemacht. Sie beträgt 1,5 bis 2,5 mal den Durchmesser der Bohrung, der mil dem Buchstaben D bezeichnet ist.

Der Winkel zwischen den sich gegenüberliegenden Bohiungen 74 un^ 76 beträgt 155°. Dieser Winkel zwischen der Düsenbohrung 74 und der Düsenbohrung 76 r> ist (Fig. 3) durch den Buchstaben A bezeichnet. Die zwischen den Düsenbohrungen 74, 76 bzw. 75, 77 verlaufende Mittellinie bildet mit jeder Düsenbohrung einen Winkel von 77,5' und mit der Mittelachse der Einspritzdüse 64 einen Winke! von 22". Dieser Winkel ist in Fig. 3 und 4 durch den Buchstaben A bezeichnet. In Fig. 4 ist die Ansicht der Düsenspilze von unten wiedergegeben. Aus dieser Ansicht läßt sich entnehmen, daß die Düsenbohrungen untereinander einen Winkel von 90" aufweisen. Da die Mittelachse der Einspritzdüse 64 mit der Mittelachse des Zylinders 32 einen Winkel von 24" bildet, sind die zwischen den einzelnen Düsen und der rechtwinkelig zur Achse des Zylinders verlaufenden Horizontalen liegenden Winkel unterschiedlich groß. In Fig. 3 verläuft die horizontale Ebene 80 durch den Mittelpunkt des Halbkreises der Düsenspilze 68 und die Mittellinie 82 der Düsenbohrung 74 bildet mit der horizontalen i_iyC"C *»" einen »» iHKCi /h, WänrCriu clic r\CnSc o·* uci Düsenbohrung 76 mit der horizontalen Ebene 80 einen Winkel N bildet. Der Winkel A' ist kleiner als der Winkel M. Da im Ausführungsbeispiel der Winkel A' 2° kleiner ist als der Winkel J. weist der Winkel M eine Größe von 14,5° und der Winkel N eine Größe von 10,5° auf. Somit muß der Brennstoff der durch die Düsenbohrung 76 eingespritzt wird, eine größere Entfernung zurücklegen, bevor der Düsenstrahl auf die Wand 44 des Brennraumes 40 auftrifft, als der Brennstoff, der durch die Düsenbohrung 74 eingespritzt wird. Die unterschiedlichen Winkel der Düsenbohrungen 74 und 76 kompensieren jedoch die unterschiedlichen Entfernungen zur Wand des "Brennraumes 40, so daß die Achse 82 die Wand 44 des Brennraumes 40 mit Bezug auf den Kolbenboden 38 in gleicher Höhe schneidet wie die Achse 84. Wie Fig. 8 veranschaulicht, schneiden die Achsen 82 und 84 mit Bezug auf die Oberfläche 38 des Zylinderkopfes 26 die Wand 44 in der gleichen Höhe //, so daß die Mittellinie des Strahles einer jeden Düsenbohrung in der gleichen Höhe auf die Wand 44 des Verbrennungsraumes 40 auflrifft.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erreicht der BrcnnslolTstrahl während des Einspritzvorganges einen Druck von 387 kp/cm\ wobei die Düsennadel 72 ungefähr 0,0241 cm angehoben wird so daß sich eine Einspritzrate gemäß Fig. Il ergibt (Geschwindigkeit über der Kurbelwellenslellung).

Im Arbeitseinsatz während des Ansaughubes des Motors weist der Drall im Zylinder eine durchschnittliche Drallgeschwindigkeit zwischen 3400 und 3900 U/min auf. Während des Verdichtungshubes wird die Luft weiter in der eingangs beschriebenen Weise beschleunigt und bei etwa 10° vor dem oberen Totpunkt wird Brennstoff durch die Düsenbohrungen 74 bis 77 der Einspritzdüse 64 gespritzt. Die sich drehende Luft trifft auf den eingespritzten Brennstoff auf und wird dadurch, wie dies in dem Streubild gemäß Fig. 5 veranschaulicht ist, mit dem Brennstoff vermischt, und zwar infolge der Wirbelueschwindigkeit bzw\ Drallgeschwindigkeit der Luft und der Quetschströmung. Wie aus Fig. 5 hervorgeht, trifft die sich drehende Luft, bevor der Brennstoffstrahl auf die Wand des Brennraumes 40 auftrifft, auf den Brennstoffstrahl in einem Winkel zwischen 10 und 15° auf, der in Fig. 5 durch den Buchstaben C bezeichnet ist. Der Kernteil des Streubildes hat die Form einer Feder, die durch gestrichelte Linien in Fi g. 5 angedeutet sind, wahrend der Grenzbereich, in Drehrichtung gesehen, durch Punkte veranschaulicht ist. Je größer die /crsiäubung des Brennstoffes ist. desto homogener ist das Gemisch. Die Verbrennung 'ritt im Grenzbereich des Brennstol'fstrahles und an der in Drehrichtung zeigenden Grenzfläche des Hauptbrennstoffstrahles ein, während der Rest des Brennstoffes nach Erreichen der Wand 44 des Brennraumes 40 verdampft und dann verbrennt.

Die vorteilhafte Anordnung des Brennraumes 40, die Luftströmung, das Streubild sowie eine gesteuerte Verbrennung, bewirken nicht nur eine gute Motorleistung, sondern führen auch zu einem geringen Anteil an schädlichen Abgasen. Die Verbrennungsdauer hängt von dem Anteil der Brennstoffmenge, die als Flüssigkeit im zerstäubten Bereich des Brennsloffstrahles verbrennt und dem Anteil der Brennstoffmenge, die nach Auftreffen auf die Wand 44 des Brennraumes 40 verdampft und dann verbrennt, sowie durch die Luftzufuhr an der Brennseite ab. Die oben angegebenen Vorgänge werden durch den Drall oder die Quetschströmung, den Füllungsgrad des Brennraumes 40, das Verhältnis des Durchmessers des Brennraumes zum Durchmesser des

ucn urcn

Zyiindcis, uhn Luii/DrciinsiuiiVcriiai
stoffstrahl, der seinerseits durch die Form der Düse bestimmt wird, den Zeitpunkt des Einspritzvorganges sowie durch die Menge des eingespritzten Brennstoffes beeinflußt. Durch diese neue Kombination der einzelnen Komponenten des Motors erhält man einen Motor mit hoher Leistung und einem niedrigen Bestandteil schädlieher Abgase, beispielsweise Stickstoffoxyde. So wurde beispielsweise durch einen Testlauf bei einer nicht aufgeladenen Maschine nach der zuvor beschriebenen Ausbildung herausgefunden, daß die schädlichen Abgasbestandteile unterhalb der in der kalifornischen Gesetzgebung für 1973 angegebenen Grenze lagen, während bei einer aufgeladenen Maschine gleicher Ausbildung oder Anordnung anstelle einer Zunahme der schädlichen Abgasbestandteile, wie es bei den meisten Maschinen

üblich ist, eine Abnahme von Kohlenwasserstoffen und Stickstoffoxyden zu verzeichnen war, so daß durch eine geringfügige Herabsetzung des Ausstoßes von Kohlenwasserstolfbestandteilen, der Motor der kalifornischen Gesetzgebung von 1975 entsprechen würde. Durch zusätzliches Zwischenschalten eines Zwischenkühlers wird die Leistung des Motors vergrößert, was aber nicht zu einer Vergrößerung der schädlichen Bestandteile der

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Abgase führt, sondern die schädlichen Abgasbestandleile ziemlich dicht unter den Wert bringt, der den Bestimmungen der kalifornischen Gesetzgebung von 1975 entspricht. Somit führt das neue Verbrennungssystem nicht zu einer Drosselung des Motors, um den gesetzlichen Bestimmungen über Abgase zu genügen, sondern einer Verbesserung der Maschine bei gleichzeitiger Herabsetzung der schädlichen Bestandteile der Abgase.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Dieselmotor mit einem im Kolben vorgesehenen offenen Brennraum, einer mindestens eine DDsenbohrung aufweisenden Einspritzdüse sowie einer Luftzufuhrvorrichtung, wobei die Luft bei Erreichung einer bestimmten Winkelstellung vor dem oberen Totpunkt als; Quetschströmung in den Brennraum eintritt und die Oberfläche des Kolbens eine zum Brennraum koaxial angeordnete, ringförmige, nach innen geneigt verlaufende Ausdrehung aufweist, die mit der Stirnfläche des Zylinderkopfs einen spitzen Winkel bildet, wobei die Achsen der Einspritzbohrungen mit der Oberfläche des Kolbens einen Winkel kleiner als 25" bilden und die Achsen der Einspritzbohrungen die Wand des Brennraumes in etwa gleichem Abstand (H) unterhalb der Oberfläche des Kolbens schneiden, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a. das Verhältnis des Durchmessers (Di) des KoI-bens (34) zu dem durch die Wand (44) des Brennraumes (40) gebildeten Durchmesser (D₂) liegt zwischen dem Betrag aus V 2,0 und dem Betrag aus \ 3,5;

b. der Zwischenraum zwischen der Oberfläche (38) des Kolbens (34) und der Oberfläche (28) des Zylinderkopfes (26) im oberen Totpunkt ist unter Vollastbedingungen kleiner als 0,05 cm:

c. der Winkel der nach innen geneigt verlaufenden Ausdrehung (50) ist kleiner als I";

d. die Achsen (82, 84) der Einspritzbohrungen (74 bis 77) bilden mit der Oberfläche (38) des Kolbens (34) Winkel, die nicht alle gleich sind;

e. die durch das Einlaßventil einströmende Luft weist eine Drallgeschwindigkeit zwischen 3000 und 6000 U/min auf;

f. die Einspritzdüse (64) führt bei einer Kurbelwellenverstellung von 5" dem Brennraum (40) eine auf 1,1 bis 1,6 mm¹ pro Winkelgrad zunehmende Brennstoffmenge zu und nält dies bis zu einer Kurbelwellenverstellung von 8° konstant und senkt diese dann während einer Kurbelwellenverstellung zwischen 7" und 12" allmählich ab;

g. das Verhältnis zwischen Länge und Durchmesser der Einspritzbohrungen (74 bis 77) liegt zwischen 1,5 und 2,5.

2. Dieselmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen der Ausdrehung (50) und der Oberfläche (38) des Kolbens (34) größer als 0,1" und kleiner als 0,6" ist.

3. Dieselmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden diametral gegenüberliegenden Achsen der Einspritzbohrungen (75 und 77) mit der Oberfläche (38) des Kolbens (34) einen gleichgroßen Winkel und die beiden anderen diametral gegenüberliegenden Achsen (82) der Einspritzbohrung (76) mit der Oberfläche des Kolbens (38) Winkel bilden, die unterschiedlich groß sind.

4. Dieselmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Zylinder (32) eintretende Luft einen Drall hat, der sich mit einer Drallgeschwindigkeit zwischen 3000 und 5000 U/mln dreht.

5. Dieselmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Zylinder (32) eingeführte Luft In Form eines Dralls sich mit einer Drallgeschwindigkeit zwischen 3200 und 5000 U/mln dreht.

6. Dieselmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Zylinder (32) eintretende Luft einen Drall hat, der sich mit einer Drallgeschwindigkeit zwischen 3300 und 4800 U/min dreht, wenn das Einlaßventil (58) in etwa maximal geöffnet ist.

7. Dieselmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Zylinder (32) eintretende Luft einen Drall hat, der sich mit einer Drallgeschwindigkeit zwischen 3400 und 4500 U/min dreht.

3. Dieselmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Durchmessers (D,) des Kolbens (34) und des Durchmessers (D.) des Brennraumes (40) zwischen dem Betrag aus \ 2,2 und dem Betrag aus \ 3,3 liegt.