DE2343023B2

DE2343023B2 - Luftverdichtende Brennkraftmaschine mit Selbstzündung und mit direkter Kraftstoffeinspritzung In einen Kolbenbrennraum

Info

Publication number: DE2343023B2
Application number: DE2343023A
Authority: DE
Inventors: Motoyasu Yokohama Kanagawa Kimbara; Yoshitaka Tokio Yoshida
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1972-08-25
Filing date: 1973-08-25
Publication date: 1975-01-23
Also published as: DE2343023A1; CA992415A; US3872841A; FR2197412A5; AU453932B2; GB1439662A; AU5961573A

Description

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^was »^folgend im einzelnen erläutert

^KraitstoSein_Spritzwinke! auf die Maschinenleistung

Äd£v^ai-^Wlrzuriick ^mF-^iB-V°^deH^rScbf^tt"

· ir , ^{punkt der} Verlängerungen zweier aufeinander zulaui J? P^; ¹⁰ S^{ader ώηδΓ6Γ} Seitenwinden mit Z bezeichnet ist η·—^P _ff ^{teduSe 3 Dieser Punkt z} i»t mit dem Mittelpunkt des Licnn-

den BrSLn "ff ^nUnßen·^{5 ravum} * ^bzw' ^des einbeschriebenen KreisesD durch ^d^^BS^rf^m o^n i i

ä? v ^l λ .Wm»_M»n» ν,,?,,, a . ,, · .^{um m eine} strichpunktierte Linie A verbunden. Der von !abstanden abgemessene Kraftstoffstrahlen in den einer der öffnungen 5 der Düse 3 ausströmende Ijjnraum 1 gegen deren inneren Umfangswände zu i₅ Hauptkraftstoffsträhl F trifft am Punkt P auf eine der ^sn# ^ ι·· * „,„,» „„,!!.„„„j. η.« j inneren Seitenwände X auf. Eine weitere Bezugs-

ne Erläuterung vor egender Erfindung erfolgt linie B ist die Verbindungslinie des Auftreffpunktes P _ „stehend in Verbindung nut Fig. 2, in der in mit dem Mittelpunkt des einbeschriebenen KreisesD. Krichpunktierten Linien innerhalb der inneren Seiten- Ein Kraftstoffeinspritzwinkel θ kann umgekehrt zur wände* und ein Kreis D mit dem Radius R einbe- »o Richtung der WirbelbewegungS dur-h Wmkelverset-,chrieben ist Der Radius der inneren Eckbogen Y ist zung zwischen den zwei Bezugslinien A und B angegut τ bezeichnet. Das Verhältnis des Radius zu R nommen werden, d. h. durch Winkelversetzung um ,oll im Rahmen vorliegender Erfindung innerhalb den Mittelpunkt des einbeschriebenen Kreisu zwi-,jnes vorbestimmten Bereichs nämlich zwischen 0,4 sehen dem Bezugspunkt Z und dem Auftreffpunkt P. _wd 0,75 fallen. Im Vergleich zur Kontur des qua- a₅ Die Ergebnisse der Untersuchungen zum Feststeldratischen Brennraums 1 ist ein üblicher kreisförmi- len des Einflusses des Einspritzwinkels θ auf die Mager Brennraum C mit gleichem Volumen in strich- schinenleistung werden nachfolgend an Hand Fig. 4 punktierten Linien angedeutet. erläutert. In einem Bereich des Kraftstoffeinspritz-

Bci vorliegendem quadratischem Brennraum 1 winkeis Θ zwischen 40 und 55° trifft üer Hauptkraftwird, wenn die Intensität der Wirbelbewegung S für 3° stoffstrahl F etwa senkrecht auf die flachen inneren tine niedrige Maschinendrehzahl auf einer geeigneten Seitenwände X auf. Demgemäß werden reflektierte Höhe ist, an den inneren Seitenwänden X eine Rei- Strahlen /' (Abströmseite) und /" (Anströmseite) wie lungskraft erzeugt, deren Stärke mit der Maschinen- bei einem kreisförmigen Brennraum erhalten, so daß drehzahl ansteigt. Diese Reibungskraft hemmt oder sich die Verteilung und Zerstäubung des Kraftstofftermindert die Wirbelbewegung S. Nach den Geset- 35 Strahls nicht wesentlich verbessert.
ien der Gasdynamik kann veranschlagt werden, daß Es sollte hier hervorgehoben werden, daß der

die Hemmwirkung auf die Wirbelbewegung 5 propor- Grund, warum der auszunehmende Einspritzwinkeltiona! der Geschwindigkeit der Wirbelbewegung S ist. bereich bezüglich der inneren Seitenwände X nicht Die Verteilung und Zerstäubung des Kraftstoffstrahls symmetrisch ist, auf die Existenz der Wirbelbewekann demgemäß ohne Einfluß der Maschinendrehzahl 40 gung S zurückzuführen ist.

durch die Wirkung der Wirbelbewegung S im wesent- Wenn der Kraftstoffstrahl F aus der öffnung 5

Ichen auf einer geeigneten Höhe gehalten v/erden. unter einem Winkel θ außerhalb des obeügenannten

Ein bedeutender Faktor, der wesentlichen Einfluß Bereichs 40 bis 55° ausgespritzt wird, dann wird der tuf die Hemmung der Wirbelbewegung 5 ausübt, ist reflektierte Kraftstoffstrahl /' zur Abströmseite sehr das Verhältnis des Radius r, der Eckbögen Y zum 45 groß. Durch die Wirkung der Wirbelbewegung S wer-Radius R des einbeschriebenen Kreises D. Ein ge- den die reflektierten Kraftstoffstrahlen überdies geeigneter Wert für das Verhältnis r: R kann empirisch nügend ausgebreitet, um die allgemeine Verteilung gewonnen werden, wie in F i g. 3 gezeigt, in der ein und Zerstäubung des eingespritzten Kraftstoffs 7ii Maß für die Motorleistung gegen das Radiiusverhält- verbessern. Weiterhin werden die Luft und die Kraft-Bis r: R aufgetragen ist. Dieses Maß ist der Wert des 5° stofftropfen, die in die Nähe der inneren Eckbögen Y ΝΟ,-Gehaltes (ppm) in den Abgasen der Brenn- kommen, nicht von der Wirbelbewegung S eingefankraftmaschine, der durch die Maschinenabtriebslei- gen, sondern von einem umgekehrten Wirbel Q eritung geteilt ist, welche als Durchschnittswert des faßt. Die resultierende Verteilung und Zerstäubung Drucks (P_me) der Brennkraftmaschine ausgedrückt der Kraftstoffstrahlen kann somit verbessert werden, ist. Zum Zwecke des Vergleichs ist in gestrichelten 55 um eine genügende Vermischung zwischen der AnLinien die Maschinenleistung für eine Elrennkraft- saugluft und derr· eingespritzten Kraftstoff sicherzu maschine mit üblichem kreisförmigem Brennraum stellen. Als Ergebnis wird eine verbesserte Motoräüfgetragen. Aus dieser graphischen Darstellung er- leistung und eine Verminderung der ΝΟ,-Abgabe er* l|ftrt sich, daß die Maschinenleistung drastisich verbes- halten.

sert wird, wimn das Radiusverhältnis r:R in einen 60 In Verbindung mit dem quadratischen Kolben-Bereich zwischen 0,4 und 0,75 fällt. Das bedeutet, brennraum wird insbesondere über einen Einspritzdaß, wenn Mr das Radiusverhältnis obiger Bereich Winkelbereich zwischen 5 und 25° ein ausgezeichnetes gewählt wird, die Dämpfung der Wirbelbewegung Verhalten der Brennkraftmaschine erreicht, wie deut-Wirkutigsvöll erfolgt, um dfe Verteilung und Zerstäu- lieh aus F i g. 4 hervorgeht. F i g. 4 zeigt auch, daß, bang der Kraftstoffstrahlen zu fördern, so daß die 65 wenn der Einspritzwinkel β im obigen Bereich von Mischtaeoatitriebsleistung erhöht und die NO_x-Ab- 5 bis 25° fällt, eine beträchtliche Schwankung im gäbe vermindert wird. Die hier betrachteten Unter- Winkel θ auftreten kann, ohne daß das Vernähen Michüiiaefl ivurden bei konstanter Maschinefidreh- der Brennkraftmaschine wesentlich verschlechtert

wird. Das bedeutet, daß Brennkraftmaschinen mit im wesentlichem gleichem Verhalten in Großserie gefertigt werden können, ohne daß bei der Herstellung und beim Zusammenbau besondere Genauigkeit er* forderlich wäre.
Wegen der besonderen Lage des Einlaß- oder Auslaßventils im Zylinderkopf 4 ist es oft erforderlich, die Kraftstoffeinspritzdüse 3 aus dem Zentrum des Brennraums 1 zu verlegen. Eine Versetzung der Düse 3 wird als zulässig angeschen, wenn die Versetzung innerhalb lS°/o des Radius R des einbeschriebenen Kreises D bleibt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2

große Mengen schädlicher Stickoxyde NO, gebildet

Patentanspruch: werden, die dann mit den Abgasen der Brennkraft

maschine abgegeben werden.

Luftverdichtende Brennkraftmaschine mit Man hat versucht, die TreibstoffverteiJung im Kai-Selbstzündung und mit direkter Kraftstoff ein- 5 benbrennraum durch Variation der Starke der Wir- «pritzung in einen Kolbenbrennraum, der eine belbewegung zu verbessern. Die Ergebnisse waren innere Urafangswand aufweist, die sich aus vier in jedoch unbefriedigend.

Form eines Quadrates angeordneten Seitenwän- Bei der Brennkraftmaschine gemäß der obenden und aus vier zwischenliegenden inneren Eck- genannten FR-PS, die einen quadratischen Kolbenbögen mit einem Radius (r) zwischen 0,4 bis 0,75 io brennraum verwendet, ist die Einspritzdüse so ausRadius (R) des dem Brennraum einbescbriebenen gerichtet, daß der Treibstoffstrahl auf die jeweilige Sei-Kreises zusammensetzt, mit einer Einrichtung zur tenwand des Brennraums unter einem Schrägwinkel Erzeugung einer Wirbelbüdung innerhalb der auftrifft. Dieser Sebrägwinkel liegt mit Bezug zu einer Verbrennungskammer sowie mit einer zentrisch Normalen auf die Seitenw»md zwischen 10 und 20°. oberhalb des Brennraumes angeordneten Ein- 15 Dh quadratische Figurierung des Kolbenbrennspritzdüse mit vier Düsenöffnungen, die mit der raums und der schräge Emspritzwinkel sollen den zugeordneten Seitenwand einen Schrägwinkel Verbrennungswirkungsgrad verbessern, indem durch einschließen, dadurch gekennzeichnet, die erste Maßnahme die Wegstrecke des Treibstoffdaß der Schrägwinkel (Θ) der Kraftstoffeinspritz- Strahls bis zum Auftreffen gegen die Seiter-. ^r-U vereinrichtung (3, Sj, »emessen von einer Bezugslinie ao kürzt und durch die zweite Maßnahme die kinetische (A), die den Mittelpunkt des dem Kolbenbrenn- Energie des Treibstoffstrahls zur Unterstützung der raum (1) einbeschriebenen Kreises (D) mit dem Wirbelbewegung ausgenutzt wird.
Schnittpunkt (Z) der Verlängerung der Seiten- Mit diesen Maßnahmen wird sicherlich eine Verwände (X) verbindet, in einer der Wirbelbewe- besserung der Verbrennungsbedingungen erreicht, gung (S) entgegengesetzten Richtung in einem 25 Diese Verbesserung ist jedoch nicht ausreichend, was Bereich von 5 bis 25° liegt. den Anfall von Schadstoffen, wie z. B. von Stick

oxyden in den Abgasen J «trifft.
Vorliegender Erfindung liegt demgemäß die Auf-

gäbe zugrunde, die Verhältnisse in dem Kolbenbrenn-

30 raum einer luftverdichtenden Brennkraftmaschine mit Selbstzündung und mit direkter Kraftstoffeinspritzung

Luftverdichtende Brennkraftmaschin °n mit Selbst- so auszugestalten, daß die Abgabe von Stickoxyden zündung und mit direkter Kraftstoffeinspritzung in in den Abgasen vermindert wird,
einen Kolbenbrennraum sind mit unterschiedlicher Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer

Brennraumgeometrie bekannt. So kann der Kolben- 35 luftverdichtenden Brennkraftmaschine gemäß Patentbrennraum in der Draufsicht beispielsweise kreisför- anspruch gelöst.

mig oder gemäß der FR-PS 1 076 741 quadratisch Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine

mit abgerundeten Ecken ausgeführt sein. Der Treib- wird ein Hauptkraftstoffstrahl so in den Kolbenbrennttoff wird durch eine zentrisch oberhalb des Kolben- raum eingespritzt, daß er innerhalb eines vorbestimmbrennraums angeordnete Einspritzdüse mit vier Du- 40 ten Winkelbceichs auf eine flache innere Seitenwand tenöffnungen eingespritzt. Zur Verbesserung der Ver- des Brennraums auftrifft. Die Reflektionsstrahlen des teilung und/oder Zerstäubung des eingespritzten Hauptstrahls verbessern die Verteilung und/oder ZerTreibstoffs und zur Förderung der Vermischung des stäubung des Kraftstoffs, ohne daß die Wirbelbewe-Treibstoffs mit der Ansaugluft wird die Luft gewöhn- gung der Ansaugluft übermäßig verstärkt wird. Datich mit einer Tangentialkomponente angesaugt, um 45 mit wird ein verbrennbares Gemisch mit einem richdadurch in dem Kolbenbrennraum eine Wirbelbewe- tigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis erhalten. Die erfingung zu erzeugen. dungsgemäße Brennkraftmaschine enthält in ihren

Bei einem kreisförmigen Kolbenbrennraum trifft Abgasen nur minimal Schadstoffe wie Kohlenjeder der aus den vier Düsenöffnungen der Einspritz- monoxyde (CO), Kohlenwasserstoffe (HC) oder Ruß. düse abgegebene Haupttreibstoffstrahl senkrecht gegen 50 Sie ist leicht und sanft zu starten und läuft ruhig und die innere Umfangswand des Kolbenbrennraums auf besitzt eine hohe Leistung.

und wird dann mit Bezug auf die Richtung der Wir- I_n dem Kolbenbrennraum wird ein richtiges Luft-

belbewegung einerseits zur Abström- und anderer- Kraftstoff-Verhältnis erhalten, ohne daß zu einer •eits zur Anströmseite reflektiert. Der zur Anström- Vorkammer oder Wirbelkammer gegriffen werden •eite reflektierte Treibstoffstrahl wird von der Wirbel- 55 müßte.

bewegung zurück in den Hauptstrahl mitgerissen. Der Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nach-

lur Abströmseite reflektierte Strahl wird dagegen von folgend an Hand der Zeichnungen näher beschrieben. der Wirbelbewegung so stark mitgenommen, daß er Es zeigt

zu dem benachbarten Treibstoffstrahl der Anström- Fig, IA eine Draufsicht des quadratischen KoI-äeite gelängt. 6σ benbrennraums einer erfindungsgetnäßen Brennkraft-

Das Ergebnis ist, daß örtlich dort ein Überreiches maschine,

Gemisch entsteht, wo die zwei reflektierten Treib- Fig. IB einen Axialschnitt des Kolbenbrennraums stöffstfahle« von zwei benachbarten Düsenöffnungen von F i g. 1A entlang der Linie t B-IB, aufeinander treffen, während sich an allen übrigen Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt von Fig. IA Oma eis zu mageres Gemisch einstellt. Ss setzt ort- 6$ zur Darstellung der Einspritzwege, lieh dort eise Verbrennung ein. wo ein richtiges Mi· Fi g. 3 ein Schaubild zur Darstellung der Leistung schungäverhältnis besteht Diese örtliche Verbren- der ernndungsgemäßen Brennkraftmaschine in Ahnung hit Örtliche Hitzestellen zur Folge, in denen hängigkeit eines ersten Parameters und