DE3112618A1

DE3112618A1 - Vorkammereinrichtung fuer einen dieselmotor

Info

Publication number: DE3112618A1
Application number: DE19813112618
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: 1982-06-24
Also published as: FR2479327B1; FR2479327A1; US4292935A; JPS56151217A

Description

1A-3464
79R73

ROCKWELL INTERNATIONAL CORPORATION El Segundo, California, USA

Vorkammereinrichtung für einen Dieselmotor

Die vorliegende Erfindung betrifft Dieselmotoren vom Vorkammertyp und insbesondere Verbesserungen bei ihren Vorverbrennungsräumen, die zu einer gesteigerten Effizienz führen.

Bei Dieselmotoren, die nach dem Vorkammersystem gebaut sind, ist der Verbrennungsraum geteilt, und zwar in einen Vorverbrennungsraum, welcher dem Zylinderkopf einverleibt ist, und einen Hauptverbrennungsraum, der zwischeider Unterkante des Zylinderkopfes und der Oberkante oder Krone des Kolbens angeordnet ist. Der Vorverbrennungsraum, in den der Brennstoff eingespritzt ist und in dem lediglich eine teilweise Verbrennung stattfindet, ist mit dem Hauptverbrennungsraum mittels eines engen Schlitzes oder Strömungskanals verbunden.

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Beim Betrieb wird bei Bewegung des Kolbens in Richtung auf den Zylinderkopf hin Luft in den Vorverbrennungsraum eingepreßt und bei Beendigung dieses Kompressionstaktes Brennstoff in den Vorverbrennungsraum eingespritzt. Anschließend schreitet eine Flammenfront abwärts voran,und zwar aus dem Vorverbrennungsraum durch einen Strömungskanal in einen zweiten Verbrennungsraum, der im Kolbenkopf ausgebildet ist. Die Verbrennung dieser Brennstoff-Luft-Kombination erzeugt den Schub, der für die Schaffung des Krafthubs des Kolbens erforderlich ist.

Es ist darauf hinzuweisen, daß der aus dem Stand der Teciinik bekannte Vorverbrennungsraum sowie die bekannten Str'imungskanäle eine signifikant unterschiedliche Geometrie aufweisen als die entsprechenden Teile gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Vorverbrennungsraum 50 gemäß US-PS 4 122 804 hat eine fast kugelförmige Form anstelle der länglich zylindrischen Geometrie des vorliegend beanspruchten Vorverbrennungsraums. Außerdem ist darauf hinzuweisen, daß der Strömungskanal 72 gemäß der obengenannten Patentschrift in sich spitze Winkel sowie scharfkantige Mündungen an der Stelle aufweist, wo der Ströraungskanal mit dem Vorverbrennungsraum in Verbindung steht. Dieser auf das Grundsätzliche vereinfachte Bau des Vorverbrennungsraums und des Strömungskanals führt zu inhärenten Problemen hinsichtlich der Effizienz sowie im Hinblick auf eine unvollständige Verbrennung.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen äußerst effizienten Dieselmotor zu schaffen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Dieselmotor zu schaffen, bei dem die Bildung von Stickoxiden vermindert ist. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Dieselmotor zu schaffen, der den Brennstoff vollständiger verbrennt. Eine weitere Aufgabe der vor-

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liegenden Erfindung ist es, einen Dieselmotor zu schaffen, dessen Ausstoß an teilchenförmigen! Material signifikant verringert ist. Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung , einen Vorverbrennungsraum zu schaffen, in den der Brennstoff axial eingespritzt wird. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, bei dem Vorverbrennungsraum eine überschall-DeLaval-Düse vorzusehen. Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Strömungskanal zu schaffen, der mit einem Unterschall-DeLaval-Diffusor ausgerüstet ist. Schließlich ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Vorverbrennungsraum zu schaffen, der die Erzeugung von normalen Schockwellen ermöglicht, welche auf Brennstofftröpfchen auftreffen und dabei die Brennstofftröpfchen zerstäuben (atomisieren).

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorkammereinrichtung für Dieselmotoren gelöst, bei der die innere Geometrie des Vorverbrennungsraums gemäß der folgenden Gleichung definiert ist:

₂ (_Y)( j) ,

(Y - 1) Μ* /dAN . * (Oy.

1 - W- ^A (1 - M^) ¹O

dT Dabei ist T die statische Temperatur und *ψ geht gegen Null. γ ist das Verhältnis der spezifischen Wärme der Verbrennungsgase und liegt in dem Bereich von etwa 1,1 bis etwa 1,4. A ist die Fläche des Vorverbrennungsraums bei jedem spezifischen Abstand vom kopfseitigen Ende des Vorverbrennungsraums. M ist die Mach-Ziffer der Gasströmung und T ist die Gesamttemperatur der umgesetzten Gase.

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

"··■ ·ί- 3112613

Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht einer Dieselmotor-Vorkammereinrichtung mit isothermischer Überschallverbrennung; und

Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht einer Dieselmotor-Vorkammereinrichtung mit isothermischer Unterschallverbrennung .

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Erfindungsgemäß ist eine allgemein mit bezeichnete Vorkammereinrichtung vorgesehen. Diese umfaßt einen Vorverbrennungsraum 12 mit einer Überschall-DeLaval-Düse, die allgemein mit 14 bezeichnet ist und die einen allgemein mit 16 bezeichneten axialzylindrischen Uberschall-Diffusor aufweist. Es ist weiter eine Öffnung 18 für eine Brennstoffeinspritzdüse vorgesehen, durch die eine Brennstoffeinspritzdüse 20 eingesetzt werden kann, sowie benachbart der öffnung 18 für die Brennstoffeinspritzdüse eine Öffnung 22 zur Aufnahme von Vorrichtungen zum Zünden eines Brennstoff-Luft-Gemisches, wie beispielsweise einer Glühkerze 23.

Die geometrische Form des Vorverbrennungsraums 12 kann in der Weise gesteuert werden, daß für Strömungsgeschwindigkeiten in der Nähe des Schallbereichs oder im Überschallbereich eine Verringerung der statischen Werte der lokaler Verbrennungsgastemperatur verursacht wird. Eine solche Ceometrie ermöglicht es, daß die Verbrennung bei einem niedrigeren Pegel der statischen Temperatur (T) fortschreitet, was wiederum eine Verringerung bei der Bildung von Stiel stoffoxiden verursacht, und zwar wegen der geringeren Gesamtdissoziation und des damit verbundenen, niedrigeren Reaktionsniveaus. Die für eine eindimensionale Strömung auftretenden, grundsätzlichen Gleichungen können, ausgehend von einem Temperatur (T)-Ausdruck, abgeleitet werden, beispielsweise von folgendem:

M²)

Dabei ist T die statische Temperatur, γ das Verhältnis der spezifischen Wärme der Verbrennungsgase, und zwar definiert , , , Verhältnis von Wärmekapazität bei konstantem Druck Qurcn aas _Wärmekapazität bei konstantem Volumen '

A ist die Querschnittsfläche des Vorverbrennungsraums bei jedem gegebenen Abstand vom kopfseitigen Ende 24 des Vorverbrennungsraums 12, M ist die Mach-Zahl der Gasströmung und T ist die Gesamttemperatur der Reaktionsgase. Bei den bevorzugten Betriebsbedingungen sollte γ zwischen etwa 1,1

dT
und etwa 1,4 betragen und -ψ sollte gegen Null gehen.

Man kann zeigen, daß zur Aufrechterhaltung eines gerin-

dT
gen Temperaturanstiegs ^ψ —ϊ 0 für eine gedrosselte Strömung oder eine Strömung mit Überschallgeschwindigkeit M 2 1,0 die Querschnittsfläche des Vorverbrennungsraums zunahmen sollte (Θ+), und zwar mit zunehmendem Abstand vom kopfseitigen Ende 24 des Vorverbrennungsraums 12 sowie mit Fortschreiten der Verbrennung in dem Vorverbrennungsraum nach unten (Fig. 1). Für eine Strömung mit Unterschallgeschwindigkeit M - 1,0 sollte die Querschnittsfläche des Vorverbrennungsraums 12 mit zunehmendem Abstand vom kopfseitigen Ende 24 des Vorverbrennungsraums 12 abnehmen (Θ-). Indem man die Querschnittsfläche des Vorverbrennungsraums 12 auf diese Weise variiert, kann die Spitzentemperatur unter etwa 2500⁰R gehalten werden. Dieses ist die kritische Temperatur, oberhalb der Stickstoffoxide gebildet werden. In den Fällen, in denen ein hoher Staudruck auftritt, kann, wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, ein Diffusorabschnitt 26 in Verbindung mit der Düse 14 verwendet werden. Für eine mit

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Unterschallgeschwindigkeit eintretende Strömung (Fig. 2) ist der Einlaß 26 des Düsenhaisbereichs 28 sowie die Düse 14 in der Weise ausgebildet, daß dynamische Staudruckverluste der Strömung ausgeschlossen bzw. möglichst vermieden werden.

Es soll, noch darauf hingewiesen werden, daß die Leistungsfähigkeit des Vorverbrennungsraums 12 gemäß der vorliegenden Erfindung weiter gesteigert werden kann, indem man gemäß einer weiteren Patentanmeldung des Erfinders die darin definierte konvergierend-divergierende Düse einverleibt und für den Verbrennungsraum das darin definierte Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis vorsieht. Diese Patentanmeldung ist betitelt "Vorkammereinrichtung mit Schockwellenzerstäubung", Aktenzeichen P (1A-3462) _t angemeldet am

30. März 1981 . Die Leistungsfähigkeit kann weiter gesteigert werden durch den gerippten Vorkammereinsatz, der in einer weiteren Patentanmeldung des Erfinders mit dem Titel "Gerippter Vorkammereinsatz für Dieselmotoren", Aktenzeichen P (1A-3463, angemeldet am 3o. März 1981 ,

beschrieben ist. Auf beide diese Patentanmeldungen wird hiermit ausdrücklich Bezug genommen.

Vorliegend ist somit eine aerodynamische Formgebung in den neuen Schall- und Überschallbereichen der Vorkammereinrichtung beschrieben worden, welche zu einer Minimalisierung des Anstiegs der statischen Gastemperatur führt und damit einen Hochtemperaturzustand verhindert, der im Hinblick auf die damit verbundene Bildung von Stickoxiden unerwünscht ist.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

(Iy Vor kammer einrichtung mit Vorverbrennuiigsraum zur

Verwendung in Dieselmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Geometrie des Vorverbrennungsraums (12) gemäß der folgenden Gleichung definiert ist:

1 - IT ^A (1 - VT)

wobei T die statische Temperatur, γ das Verhältnis der spezifischen Wärme der Verbrennungsgase, A die Querschnittsfläche des Vorverbrennungsraums (12) bei einem beliebigen spezifischen Abstand vom kopfseitigen Ende (24) des Vorverbrennungsraums (12), M die Mach-Zahl der Gasströmung und T_Q die Gesamttemperatur der umgesetzten Gase bedeuten.
2. Vorverbrennungsraum nach Anspruch 1, dadurch gekenn-

dT
zeichnet, daß -ψ gegen Null geht.
3. Vorverbrennungsraum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß γ zwischen etwa 1,1 und etwa 1,4 liegt.
4. Vorverbrennungsraum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er weiterhin eine konvergierend/divergierende Düse (14) umfaßt, mit der die Gasströmung in den Vorverbrennungsraum (12) hinein bzw. aus diesem heraus gesteuert wird.
5. Vorverbrennungsraum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Vorkammereinrichtung um einen gerippten Vorkammereinsatz handelt.