DE3112617A1

DE3112617A1 - Vorkammereinrichtung mit schockwellenzerstaeubung

Info

Publication number: DE3112617A1
Application number: DE19813112617
Authority: DE
Inventors: William Richard 90025 Los Angeles Calif. Wagner
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1980-03-31
Filing date: 1981-03-30
Publication date: 1982-06-16
Also published as: FR2479329A1; JPS56151216A; FR2479329B1; US4294208A

Description

1Α-3462
79R67

ROCKWELL INTERNATIONAL CORPORATION El Segundo, California, USA

Vorkammereinrichtung mit Schockwellenzerstäubung

Die vorliegende Erfindung betrifft Dieselmotoren vom Vorkammer-Typ. Die Erfindung betrifft insbesondere Verbesserungen bei Vorverbrennungsräumen solcher Motoren, die zu einer größeren Effizienz führen.

Nach dem Vorkammersystern gebaute Dieselmotoren weisen einen Verbrennungsraum auf, der in einen Vorverbrennungsraum und einen Hauptverbrennungsraum geteilt ist. Der Vorverbrennungsraum ist dem Zylinderkopf einverleibt und der Hauptverbrennungsraum ist zwischen der Unterkante des Zylinderkopfes und den Oberseiten der Kolben positioniert. Der Vorverbrennungsraum, in den der Brennstoff eingespritzt wird und in dem lediglich eine teilweise Verbrennung stattfindet, ist durch einen engen Schlitz oder Strömungskanal mit der. Hauptverbrennungsraum verbunden.

Während des Bo feriebs wird bei Bewegung des Kolbens in Richtung auf den Zylinderkopf Luft in den Vorverbrennungsraum gepreßt und bei Ende dieses Kompressionstaktes wird in den Vorverbrennungsraum Brennstoff eingespritzt. Anschließend schreitet eine Flammenfront abwärts voran, und zwar durch einen Strömungskanal aus dem Vorverbr.ennungsraum bis in einen zweiten Verbrennungsraum, der im Kolbenkopf ausgebildet ist. Die Verbrennung dieser Brennstoff-Luft-Kombination erzeugt den zur Schaffung des Krafthubs des Kolbens erforderlichen Schub.

Es ist darauf hinzuweisen, daß bei den aus dem Stand der Technik bekannten Einrichtungen sowohl der Vorverbrennungsraum als auch die Strömungskanäle eine signifikant unterschiedliche Geometrie, verglichen mit der vorliegenden Erfindung₍ aufweisen. Der Vorverbrennungsraum 50 gemäß US-PS 4 122 804 weist eine fast kugelförmige Form anstatt der vorstehend beanspruchten, elongierten, zylindrischen Geometrie auf. Außerdem ist darauf hinzuweisen, daß der Strömungskanal 72 spitze Winkel sowie scharfkantige Mündungen an der Stelle aufweist, wo der Strömungskanal mit dem Vorverbrennungsraum in Verbindung steht. Dieser auf das Grundsätzliche vereinfachte Aufbau von Vorverbrennungsraum und Strömungskanal führt jedoch zu inhärenten Problemen hinsichtlich der Effizienz sowie der unvollständigen Verbrennung.

Es ist demgemäß Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen in hohem Maße effizienten Dieselmotor zu schaffen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Dieselmotor zu schaffen, der den Brennstoff vollständiger verbrennt. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Dieselmotor zu schaffen, bei dem der Ausstoß an teilchenförmigen! Material signifikant verringert ist. Weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Dieselmotors, der die Bildung von Stickstoff-

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oxiden verringert. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Vorverbrennungsraum zu schaffen, in den der Brennstoff axial eingespritzt wird. Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Vorverbrennungsraum mit einer Überschall-DeLaval-Düse auszurüsten. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Strömungskanals mit einem Unterschall-DeLaval-Diffusor. Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Vorverbrennungsraum zu schaffen, der die Erzeugung von normalen Schockwellen ermöglicht, welche auf Brennstofftröpfchen auftreffen und dadurch die Brennstofftröpfchen zerstäuben (atomisieren).

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Einrichtung zum Zerstäuben von Brennstoff, der in eine Vorkammer eingespritzt wird. Die Einrichtung zum Zerstäuben des Brennstoffs umfaßt eine Vorkammereinrichtung 10 zur Verwendung in Dieselmotoren. Diese umfaßt einen Vorverbrennungsraum, einen Brennstoffeinspritzdüsendurchlaß, durch den eine Brennstoffeinspritzdüse dem Vorverbrennungsraum einverleibt werden kann, eine öffnung für eine Zündvorrichtung, benachbart zu dem Sprühdüsendurchlaß, eine Überschall-DeLaval-Düse, die am entgegengesetzten Ende des Vorverbrennungsraums bezüglich der Einspritzdüse angeordnet ist und durch entsprechende Ausbildung des Vorverbrennungsraums in diesen integriert ist und dazu dient, das Einströmen von Luft in den Vorverbrennungsraum zu fördern; sowie einen zweidimensionalen Unterschall-Diffusor, der axial mit dem Halsbereich der DeLaval-Düse verbunden ist und dazu dient, Luft aus dem Zylinderkopf des Dieselmotors zum Vorverbrennungsraum zu überführen und Verbrennungsgase aus dem Vorverbrennungsrausr in den Zylinder des Dieselmotors zu leiten.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1a eine schematische Vorderansicht des Vorbrenners und des Strömungskanals;

Fig. 1b einen Querschnitt von Fig. 1a entlang der Linie A-A;

Fig. 2 einen bruchstückartigen Querschnitt durch die Vorkammer des Verbrennungsraums von Fig. 1a, wobei die durch die Linie B-B angedeutete Ebene dargestellt ist und die Verbindung der Vorkammer mit dem zugehörigen Kolben und Zylinderkopf gezeigt wird.

In allen Figuren sind gleiche Elemente oder Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Erfindungsgemäß ist ein Vorbrenner vorgesehen, der allgemein mit 10 bezeichnet ist. Dieser umfaßt einen Vorverbrennungsraum 12 mit einer Überschall-DeLaval-Düse 14 und mit einem axialsymmetrischen Überschall-Diffusor 16. Es ist ferner ein Brennstoffeinspritzdüsendurchgang 18 vorgesehen, durch den eine Brennstoffeinspritzdüse 20 eingesetzt werden kann, sowie eine Zündvorrichtungsöffnung 22, benachbart dem Brennstoffeinspritzdüsendurchgang 18, zur Aufnahme der Einrichtungen zum Zünden eines Brennstoff-Luft-Gemisches.

Der Vorverbrennungsraum 12 kann eine beliebige, herkömmliche Form haben. Die bevorzugte Form dieses Vorverbrennungsraums 12 ist jedoch zylindrisch. Außerdem wird die Leistungsfähigkeit gefördert, wenn der zylindrisch geformte Vorverbrennungsraum. 12 einen kuppeiförmig ausgebildeten, oberen Bereich aufweist, der allgemein mit 24 bezeichnet ist, und durch den sich der Einspritzdüsendurchgang 18 mit axialer Ausrichtung erstreckt. Eine besonders bevorzugte Konfiguration des Vorverbrennungsraums 12 hat beispielsweise ein zylindrisches Länge-zu-Durchmesser(L/D)-Verhältnis im Bereich von etwa 2 bis etwa 5 und insbesondere bevorzugt ein L/D-Verhältnis von etwa 3 1/2. Bei diesem L/D-Verhä3.tnis wird die Ausbil-

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dung der optimalen Normalschockwellen gefördert, die benötigt werden, um zur Zerstäubung der Tröpfchen des Brennstoffsprühnebels beizutragen.

Die Brennstoffeinspritzdüse 20 kann ein beliebiger, herkömmlicher Typ sein. Insbesondere bevorzugt ist jedoch die in der US-PS 4 122 804 beschriebene Brennstoffeinspritzdüse vom Stift-Typ, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird. Durch die Zündvorrichtungsöffnung 22 kann eine herkömmliche Glühkerze 26 oder Hitzekerze eingesetzt werden, um die Zündquelle für das Brennstoff-Luft-Gemisch zu schaffen.

Die DeLaval-Düse 14 des Vorverbrennungsraums 12 umfaßt einen allgemein mit 28 bezeichneten Düsenhaisbereich, eine tJberschalldüse 14 und einen axialsymmetrischen Diffusor 16. Obwohl die DeLaval-Düse 14 axial orientiert und an der entgegengesetzten Seite des Einspritzdüsendurchgangs 18 angeordnet sein kann, können Beschränkungen aufgrund der räumlichen Verhältnisse es erforderlich machen, daß die Überschall-DeLaval-Düse 14 die in Fig. 2 gezeigte gekrümmte Orientierung aufweist. In diesem Fall kann die Ausbildung und Form der gekrümmten Überschalldüse 14 sowie des axialsymmetrischen Überschall-Diffusors 16 nur anhand eines flüchtigen CharakterisierungsVerfahrens spezifiziert werden. Eine eingehende Diskussion der DeLaval-Diise und der Mittel zur Berechnung von spezifischen Düsengeometrien findet sich in Kapitel 3 "Nozzle Theory and Thermodynamic Relations" der

2. Auflage von Rockelt Propulsion Elements von Sutton, Chapman & Hall, Ltd,, 1956, sowie in The Dynamics and Thermodynamics of Compressible Fluid Flow, Ascher H. Shapiro, Ronald Press Company, 1953· Spezielle, computerisierte Verfahren, die charakteristische Lösungen für gekrümmte Düsen liefern, sind erhältlich von NASA, Air Force, und von vielen auf dem Luft- und Raumfahrtgebiet tätigen Unternehmen einschließlich Rocketdyne Division of Rockwell International .

Die Leistungsfähigkeit des Vorbrenners 10 kann weiter gefördert werden durch die Einverleibung von Strömungskanälen 30, die den Zylinderkopf 32 mit dem Hals 28 der Überschall-DeLaval-Düse 14 verbinden. Die Geometrie des Strömungskanals ist wie die Geometrie des Vorverbrennungsraums ein kritischer Faktor im Hinblick auf die Förderung der Effizienz und thermodynamischen Charakteristik der Vorverbrennungskammer 12. Das Länge-zu-Dicke(L /Y)-Verhältnis des zweidimensionalen Strömungskanals 30 sollte zwischen etwa 5 und etwa 10 liegen, wobei das bevorzugte Länge-zu-Dicke-Verhältnis etwa 7 beträgt. Der Strömungskanal 30 ist durch seinen zweidimensionalen Unterschall-DeLaval-Diffusor 34 mit dem Hals 28 der Uberschall-DeLaval-DUse 14 verbunden. Die Korabination des zweidimensionalen Unterschall-DeLaval-Diffusors 34 mit der Überschall-DeLaval-Düse 14 über den Düsenhaisbereich 28 bildet eine Anordnung, die herkömmlicherweise als eine konvergierend-divergierende DeLaval-Düse bezeichnet wird.

Beim Betrieb dient der allgemein mit 10 bezeichnete Vorbrenner dazu, eine Überschallschockwelle 36 zu schaffen, und zwar während des Kompressionstaktes des Kolbens 37. Dadurch wird der Brennstoff augenblicklich zerstäubt (atomisiert), ohne daß ein mit hohem ΔΡ arbeitender Injektor mit kleiner Mündungsgröße ausgebildet sein muß. Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung wird das strömende Medium während des Kompressionstaktes durch den Kolben 37 komprimiert und tritt in das kolbenseitige Ende des Strömungskanals 30 ein. Die Luft, die in den Strömungskanal 30 eingepreßt wird, wird anschließend durch die konvergierend-divergierende DeLaval-Düse gedrängt, wo sie beim Durchgang durch den axialsymmetrischen Diffusor 16 expandiert und dabei eine Vielzahl von Normalschockwellen 36 erzeugt. Die Normalschockwellen 36, die durch die DeLaval-überschalldüse 14 und den axialsymmetrischen Diffusor 16 erzeugt wurden, pflanzen sich in Längsrichtung des Vorverbrennungsraums 12 fort und treffen auf den

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aus dem Brennstoffinjektor 20 eintretenden Brennstoffsprühnebel 38. Durch das Auftreffen der Schockwellen auf die Sprühnebelteilchen 38 verdampft der Brennstoff augenblicklich, und zwar bevor der lokale Druckaufbau stattfindet, der entweder durch das Ausfüllen des oberen Bereichs 24 des Vorverbrennungsraums 12 verursacht wird oder durch die folgende Erzeugung der Explosionswelle, welche bewirkt, daß der Schockwellendruckunterschied zunimmt und das Druckmuster hinsichtlich Abstand und Größe abnimmt, und zwar mit Entfernung von der Ebene des Düsenhalses.

Beim Fortschreiten der Verbrennung sinkt die Geschwindigkeit der eintretenden Strömung innerhalb des Vorverbrennungsraums 12 unterhalb den Überschallbereich ab und die Strömungsrichtung kehrt sich um. Die Strömung fließt nun von der Sprühdüse 20 einwärts in Richtung auf den Düsenhals 28 hin. Dort wird durch die Diffusion im Bereich anschließend an den Düsenhals bis zum kolbenseitigen Ende des Strömungskanals 30 ein wesentlicher Anteil des dynamischen Drucks des Düsenhalses zurückgewonnen.

Es soll angemerkt werden, daß für den zweidimensionalen Diffusor 34 auch eine Geometrie geeignet ist, die einen Schallgeschwindigkeits- oder geringfügig Überschallgoschwindigkeitszustand bewirkt. Vorzugsweise sollte der zweidimensionale Diffusor 34 jedoch so ausgebildet sein, daß ein geringfügig Unterschallgeschwindigkeitszustand vorliegt.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

1 J Vorkammereinrichtung zur Verwendung bei Dieselmotoren, gekennzeichnet durch einen Vorverbrennungsraum (12); einen Brennstoffeinspritzdüsendurchlaß (18), durch den eine Brennstoffeinspritzdüse (20) dem Vorverbrennungsraum (12) einverleibt werden kann; eine Öffnung (22) zur Aufnahme einer Zündvorrichtung (26), benachbart dem Brennstoffeinspritzdüsendurchlaß (18); und eine bezüglich der Einspritzdüse (20) am entgegengesetzten Ende des Vorverbrennungsraums (12) in diesen integrierte Überschall-DeLaval-Düse (14) zur Förderung des Einstrümens von Luft In den Vorverbrennuritforaum (12).
2. Vorkammereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorverbrennungsraum(12)zylindrisch ausgebildet ist.
3. Vorkammereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorverbrennungsraum (12) ein Länge-zuDurchmesser- Verhältnis im Bereich von etwa 2 bis etwa 5 aufweist.
4. Vorkammereinrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Vorverbrennungsraum (12) ein Längezu-Durchmesser-Verhältniß von etwa 3 1/2 aufweist.
5. Vorkammereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorverbrennungsraum (12) außerdem einen kuppeiförmig ausgebildeten, oberen Abschlußbereich (24) aufweist.
6. Vorkammereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Sprühdüsendurchgang (18) mit axialer Anordnung durch den oberen Abschlußbereich (24) d » Vorverbrennungsraums (12) erstreckt.
7. Vorkammereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffeinspritzdüse (20) eine Brennstoffinjektionsdüse vom Stift-Typ ist.
8. Vorkammereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündvorrichtung (26) eine Glühkerze ist.
9. Vorkammereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die DeLaval-Düse (14) axial orientiert ist.
10. Vorkammereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die DeLaval-DUse (14) eine gekrümmte überschalldüse umfaßt.
11. Vorkammereinrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die DeLava-Düse (14) außerdem einen axialsymmetrischen Diffusor (16) aufweist.
12. Vorkammereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem einen zweidimensionalen Unterschalldiffusor (34) umfaßt, der axial mit dem Hals (28) der Überschall-DeLaval-Düse (14) verbunden ist.
13. Vorkaramereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem einen zweidimensionalen Schalldiffusor (34) umfaßt, der axial mit dem Hals (28) der Überschalldüse (14) verbunden ist.
14. Vorkammereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem einen zweidimensionalen Überschalldiffusor (34) umfaßt, der axial mit dem Hals (28) der Überschall-DeLaval-Düse (14) verbunden ist.