DE3520775C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Dieselmotor der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Bei einem solchen, aus dem JP-GM-OS-59-91420 bekannten Dieselmotor enden die Vertiefungen vor dem Umfang des Kolbens. Die Vertiefungen haben dabei in den nutenförmigen Abschnitt übergehende Seitenwände mit einem Krümmungsradius, der ein bestimmtes Verhältnis zum Durchmesser der Einlaß- und Auslaßventile hat. Die Krümmungsradien sind dabei größer oder gleich als ein Fünftel dieses Durchmessers. In Verbindung mit der Breite des nutenförmigen Abschnittes wird dadurch ein allmählich und glatt abgerundeter Übergang aus dem nutenförmigen Abschnitt in die kreisförmigen Vertiefungen erreicht. Dadurch haften große Anteile der Primärströmung nach dem Coandaeffekt an den sich nach beiden Seiten in die flachen Vertiefungen erstreckenden Seitenwänden. Bei dieser bekannten Anordnung erfolgt daher die Teilung der in den nutenförmigen Abschnitt eingestrahlten Flamme aufgrund dieses Coandaeffektes, wobei der nasenförmige Vorsprung zwischen den flachen Vertiefungen zumindest keinen gewollten Anteil hat.

Bei einem aus der US-PS 43 23 039 bekannten Dieselmotor ähnlicher Bauart, aber mit einem sich bis zum nasenförmigen Vorsprung erstreckenden nutenförmigen Abschnitt, können unerwünschte Sekundärströmungen in der Brennraummulde auftreten, die der gewünschten Primärströmung entgegenwirken, da sie von den bei dem bekannten Dieselmotor vorgesehen üblichen kleeblattförmigen flachen Vertiefungen derart gerichtet werden, daß sie die gewünschte Verwirbelung der Hauptströmung stören. Die Sekundärströmung wird im einzelnen im oberen Totpunkt des Kolbens durch eine Saugwirkung zwischen den Quetschflächen des Kolbens und des Zylinderkopfes unmittelbar zu Beginn der Abwärtsbewegung des Kolbens erzeugt. Dabei ergibt eine Störung der gewünschten Verwirbelung eine Verminderung der Leistungsabgabe des Dieselmotors sowie eine Erhöhung der Rauchgas- und Kohlenwasserstoffemissionen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Dieselmotor der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art so auszubilden, daß die Wirkung von unerwünschten, die Primärströmungen störenden Sekundärströmungen herabgesetzt wird und damit eine optimale Vermischung der eingestrahlten Flamme mit der im Hauptverbrennungsraum vorhandenen Luft stattfindet.

Bei einem Dieselmotor der genannten Art ist diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Durch diese besondere Ausbildung der flachen Vertiefungen wird erreicht, daß die Sekundärströmunge, die sich während der Abwärtsbewegung des Kolbens aufgrund einer Saugwirkung zwischen den Quetschflächen bilden und der Primärströmung entgegenlaufen, auf die Wand der Zylinderbohrung aufprallen, wodurch der Sekundärströmung die kinetische Energie entzogen wird. Dadurch können solche eventuellen Sekundärströmungen die Primärströmung innerhalb der flachen Vertiefungen nicht mehr entscheidend stören.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ausführungsbeispiele eines bekannten Dieselmotors und eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Dieselmotors werden anhand der Zeichnung erläutert. Im einzelnen zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt einer bekannten Anordnung, die in der Beschreibungseinleitung erörtert ist,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die "kleeblattförmige" Aussparung im Boden des in Fig. 1 gezeigten Kolbens.

Fig. 3 einen Schnitt eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 4 eine Draufsicht auf den in Fig. 3 gezeigten Kolben, wobei die Flammenverteilungsanordnung dargestellt ist,

Fig. 5 einen Schnitt durch den in Fig. 4 gezeigten Kolben längs der Linie V-V in Fig. 4,

Fig. 6 ein Diagramm, welches, aufgetragen über der Rauchbildung und Motorbelastung (Drehmoment, gemessen an der Antriebswelle des Motors), die Leistungskennlinien der in Fig. 1 und 2 gezeigten bekannten Anordnung und des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt,

Fig. 7 einen Schnitt durch das erste Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die Breite der Überführungsöffnung gezeigt ist, die die Wirbelkammer und den Hauptverbrennungsraum miteinander verbindet,

Fig. 8 bis 13C in graphischer Darstellung die unterschiedlichen Emissionseigenschaften, die bei sich ändernden Abmessungen des Überführungskanals und der Abschnitte der im Kolbenboden ausgebildeten Mulde auftreten, und

Fig. 14 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die Fig. 3 bis 7 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel, bei dem ein Dieselmotor, der mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist, einen Zylinderblock 12, der mit einer Zylinderbohrung 14 ausgebildet ist, und einen Zylinderkopf 16 aufweist, der abnehmbar am Zylinderblock 12 befestigt ist. Der Zylinderkopf 16 ist mit einem Hohlraum 18 ausgebildet. Dieser Hohlraum ist durch ein Stopfenteil 20 verschlossen, in welchem ein Überführungskanal bzw. eine Überführungsöffnung 24 ausgebildet ist. Wie gezeigt, ist die Innenfläche des Stopfens 20 so geformt, daß sie zusammen mit dem Hohlraum 18 eine Wirbelkammer 22 bildet.

Die Überführungsöffnung 24 ist so angeordnet, daß sie die im Hauptverbrennungsraum verdichtete Ladung tangential in die Wirbelkammer 22 derart einleitet, daß sie eine wirbelnde Luftströmung bewirkt. Brennstoff wird in die Wirbelkammer von einer Einspritzdüse 26 eingespritzt.

In die Wirbelkammer ragt eine Glühkerze 28, die bei diesem Ausführungsbeispiel nächst der Flugbahn des eingespritzten Brennstoffs angeordnet ist.

In der Zylinderbohrung bewegt sich ein Kolben 30.

Wie aus Fig. 4 und 5 zu erkennen ist, weist der Boden des Kolbens 30 eine profilierte Mulde auf, die einen nutenförmigen Abschnitt 32 und relativ flache Vertiefungen 34, 36 aufweist. Die Vertiefungen 34, 36 erstrecken sich über die gesamte Breite quer zur Längsrichtung bis zum Umfang des Kolbens und sind so angeordnet, daß sie unter dem Einlaß- und Auslaßventil (nicht gezeigt) des Zylinders angeordnet sind. Die Vertiefungen sind in der Fläche größer als die Ventile, unter welchen sie angeordnet sind.

Wie aus den Fig. 4 und 5 ersichtlich ist, schneidet die Längsachse D des Abschnitts 32 im wesentlichen die Längsachse des Kolbens.

Wie in Fig. 3 gezeigt, ist der Abschnitt 32 so angeordnet, daß er an seinem ersten Ende eine maximale Tiefe aufweist, das der Mündung des Überführungsöffnung 24 nächstgelegen ist, und er steigt allmählich an, so daß er flacher an seinem zweiten Ende ist. Die Tiefe des zweiten Endes ist im wesentlichen gleich jener der flachen Vertiefungen 34, 36.

Die Vertiefungen 34, 36 sind so angeordnet, daß sie einen glatten, nasenförmigen Abschnitt 38 am zweiten (stromabwärts gelegenen) Ende des Abschnitts 32 bilden, der die Flamme in eine erste und eine zweite Primärströmung teilt. In Fig. 4 ist der Einfachheit halber nur eine der Primärströmungen gezeigt. Diese Strömung ist durch schwarze Pfeile B und C angedeutet.

Bei dieser Anordnung wird, nachdem das Luft-Brennstoffgemisch, das in der Wirbelkammer während des Verdichtungstaktes des Motors gebildet wurde, eine spontane Zündung erfahren hat, eine Flamme, die reich an kohlenwasserstoffhaltigem Brennstoff ist, durch die Überführungsöffnung 24 in das erste Ende des Abschnitts 32 strahlartig eingebracht. Diese durch den Pfeil A gezeigte Flamme strömt rasch längs des Abschnitts 32, bis sie gegen den nasenförmigen Vorsprung 38 trifft, welcher sie in die oben erwähnten ersten und zweiten Primärströmungen aufspaltet. Nachfolgend trachten die Primärströmungen danach, eine Drehung auszuführen, wie sie durch die Pfeile B und C gezeigt ist, und neigen somit dazu, eine Wirbelbewegung auszuführen, welche die Flamme mit der sauerstoffhaltigen Ladung (Luft) im Hauptverbrennungsraum vermischt.

Da sich die Vertiefungen 34, 36 bis zum Umfang des Kolbenbodens erstrecken, treffen Sekundärströmungen der Flamme, gezeigt durch schwarze kleine Pfeile a, b und c, die unter dem Einfluß des Quetsch-Umkehr-Phänomens, das sich ergibt, wenn sich der Kolben 30 von seinem oberen Totpunkt aus abwärts bewegt, eventuell auftreten, über die Kante des Kolbenbodens auf die Wand der Zylinderbohrung. Dies beraubt die Sekundärströmungen eines wesentlichen Anteils ihrer kinetischen Energie, was, in Verbindung mit der fehlenden Führungswirkung der normalerweise vorgesehenen Abschnitte der kleeblattförmigen Vertiefungen (durch die schraffierten Bereiche in Fig. 4 bezeichnet), verhindert, daß die Primär- und Sekundärströmungen die angestrebte Wirbelströmung unterbrechen, die die sauerstoffreiche Luftladung mit der Flamme vermischt, die reich an verbrennbarem Kohlenwasserstoff ist.

Obwohl eine gewisse Abkühlung der Sekundärströmungen an der Zylinderbohrungswand auftritt, wird diese unerwünschte Wirkung durch den vergrößerten Bereich, über welchen die Flammen streichen, und durch die verbesserte Vermischung der Flamme mit der verbleibenden Ladung aufgewogen.

Da jedoch die Vertiefungen 34, 36 verhältnismäßig flach sind, um ein niedriges Volumen für die Aussparung beizubehalten, ist es vorteilhaft, sorgfältig die Abmessungen des Abschnitts 32 auszuwählen, um eine weitere Verbesserung in den Verbrennungseigenschaften zu erzielen. Es ist beispielsweise wesentlich, die kinetische Energie der Flamme zu steuern, die in den Abschnitt 32 ausgestoßen wird und nachfolgend an dem die Flamme aufspaltenden Vorsprung 38 auftritt, um die Flamme daran zu hindern über den Vorsprung hinwegzuströmen, wie es durch die strichpunktierten Pfeile X, Y und Z in Fig. 2 dargestellt ist, was, wie bereits vorher erwähnt, dazu führen würde, eine merkliche Abkühlung und große Mengen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen herbeizuführen.

Um die obige Steuerung zu erreichen, ist es vorteilhaft, den Motor so zu konstruieren, daß Breite und Querschnittsfläche der Überführungsöffnung 24 so gewählt sind, daß:

S/Ld 50 mm (1)

worin:

• - S die Querschnittsfläche der Überführungsöffnung darstellt, und
• - Ld die Tiefe der Flammenverteilungsabschnitte ist,

und so, daß

W/Wth < 2 (2)

wobei,

• - W die Breite des nutenförmigen Abschnitts 32 darstellt, und
• - Wth die Breite der Überführungsöffnung bezeichnet (siehe Fig. 7).

Die Verbesserungen, die sich aus diesen Konstruktionsvorgaben, sind in den Diagrammen der Fig. 11, 12A und 12B dargestellt. Wie aus Fig. 11 deutlich erkennbar ist, bleibt z. B., bis das Verhältnis von W/Wth einen Wert von etwa 2,0 erreicht, die Rauchbildung bei einem verhältnismäßig niedrigen Wert und nimmt dann plötzlich in raschem Maße zu, wenn das Verhältnis den Wert 2 überschreitet. Andererseits zeigen die Fig. 12A und 12B, daß, bis das Verhältnis S/Ld einen Wert von 50 mm erreicht hat, die Bildung von Rauch unter der maximal zulässigen Grenze bleibt, während der Brennstoffverbrauch etwa konstant bleibt.

Eine weitere Maßnahme zum Verringern schädlicher Emissionen liegt in der sorgfältigen Auswahl der Tiefen des Abschnitts 32 und der Vertiefungen 34, 36. Wenn beispielsweise die Bedingung eingehalten wird:

Ld²/Lm < 0,2 mm (3)

wobei:

• - Ld die Tiefe der Vertiefungen und
• - Lm die mittlere Tiefe des nutenförmigen Abschnitts sind,

dann kann, wie in Fig. 10 gezeigt, die Menge der Kohlenwasserstoffe, die im Motorabgas enthalten sind, merklich verringert werden.

Ferner, wie aus den Fig. 8 und 9 ersichtlich, neigt, wenn der Wert Ld zu klein ist, die Flamme dazu, über den abgerundeten Vorsprung hinwegzuströmen und eine Abkühlung zu erfahren, während dann, wenn der Wert von Ld/Lm zu klein ist, die Wirkung der Quetschumkehrung eine übermäßige Ausbreitung der Flamme verursacht, was mehr unverbrannte Kohlenwasserstoffe ergibt (wobei darauf hingewiesen wird, daß die in Fig. 9 gezeigten Kurven gleiche Kohlenwasserstoffkonzentrationen darstellen).

Ein weiterer Parameter, der die Verbrennungseigenschaften des Motors beeinflußt, liegt in den Abmessungen des abgerundeten, die Flamme spaltenden Vorsprungs 38, der am stromabwärts gelegenen Ende des Abschnitts 32 angeordnet ist. Wenn dieser Vorsprung zu stumpf ist, dann besteht die Möglichkeit, daß die Flamme einer nur unzulänglichen "Spaltung" unterzogen wird und deshalb dazu neigt, über den Vorsprung hinwegzuströmen.

Versuche haben gezeigt, daß dann, wenn der Radius des Vorsprungs 38 in Bezug auf die Breite des Abschnitts 32 innerhalb der folgenden Zuordnung liegt:

R/W 1 (4)

wobei:

• - R der Radius des nasenförmigen Vorsprungs 38 und
• - W die Breite des nutenförmigen Abschnitts 32 sind,

eine geeignete Aufspaltung der Flamme stattfindet und die Flamme in die Primärströmungen auf eine Weise aufgespalten wird, bei welcher die kinetische Energie bis zu einem Maximum erhöht wird und nicht durch Kollision mit einer übermäßig flachen Fläche verlorengeht. Dies fördert die gute Vermischung zwischen der Flamme und der im Hauptverbrennungsraum vorhandenen Luft. Dementsprechend ist es, wie in Fig. 13A bis 13C gezeigt, wenn das oben erwähnte Verhältnis bei oder unter 1 gehalten wird, möglich, gleichzeitig auch hinlänglich kleine Mengen an Rauch, Kohlenwasserstoff (HC) und Stickoxiden zu bilden.

In Fig. 4 bezeichnet Ro einen Radius, der für die dargestellte Abschnittbreite ein Verhältnis von R/W erzeugt, welches gleich 1 ist. Das heißt, der durch die gestrichelte Linie angedeutete Vorsprung 38 weist die kleinste, noch hinnehmbare Krümmung auf.

Fig. 14 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das sich von dem ersten dahingehend unterscheidet, daß ein Hilfsüberführungskanal 40 zusätzlich zur Hauptüberführungsöffnung 24 vorgesehen ist. Bei dieser Anordnung ist der Hilfsüberführungskanal 40 so angeordnet, daß er ein wenig stromabwärts der Achse (bezüglich der Richtung der Verwirbelung in der Wirbelkammer 22) so angeordnet ist, daß, wie dargestellt, der Wirbel während des Einspritzvorganges auf den peripheren, hochzerstäubten Brennstoff trifft und diesen zur Mündung des Hilfsüberführungskanals 40 trägt. Dementsprechend trachtet ein Teil des in die Wirbelkammer durch die Brennstoff-Einspritzdüse 26 eingespritzten Brennstoffes danach, in den Hauptverbrennungsraum (insbesondere in die flammenverteilenden Vertiefungen) in einem hochvergasten Zustand einzutreten.

Bei dieser Anordnung wird die Brennstoffmenge, die in der Wirbelkammer zurückgehalten wird, verringert, so daß das Luft-Brennstoffverhältnis in erwünschter Weise verringert und gleichzeitig ein hochrennbares Gemisch im Hauptverbrennungsraum vorgesehen wird. Somit wird infolge der spontanen Zündung, die in der Wirbelkammer 22 auftritt, die Spitzentemperatur der Verbrennung abgesenkt und die Verbrennung im Hauptverbrennungsraum wird durch die Anwesenheit des verwirbelten Luft-Brennstoffgemisches gefördert.

Claims (7)

1. Dieselmotor (10) mit einem Kolben (30), der in einer Zylinderbohrung (14) zur Bildung eines Hauptverbrennungsraumes mit variablem Volumen auf- und abbeweglich angeordnet ist und der im oberen Totpunkt mit dem Zylinderkopf (16) Quetschflächen bildet, mit einer Wirbelkammer (22), in welche mittels einer Einspritzdüse (26) Brennstoff eingespritzt wird, und welche mit dem Hauptverbrennungsraum über einen Überführungskanal (24) in Verbindung steht; und mit einer Mulde im Kolbenboden, die einen nutenförmigen Abschnitt (32) mit einem ersten Ende, von dem aus eine von der Wirbelkammer (22) während der Expansionsphase ausgestoßene Flamme (A) in den nutenförmigen Abschnitt (32) eingeleitet wird, flache Vertiefungen (34, 36) mit gekrümmten Wandabschnitten auf jeder Seite des nutenförmigen Abschnitts (32) sowie einen abgerundeten nasenförmigen Vorsprung (38) aufweist, wobei zwei Primärströmungen oberhalb der Vertiefungen verwirbelt werden; dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Ende des nutenförmigen Abschnitts (32) bis zum nasenförmigen Vorsprung (38) reicht, und daß sich die Vertiefungen (34, 36) in Querrichtung zum nutenförmigen Abschnitt (32) bis zum Umfang des Kolbens (30) erstrecken.

2. Dieselmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe des ersten Endes des nutenförmigen Abschnitts (32) größer ist als die seines zweiten Endes, dessen Tiefe im wesentlichen gleich der Tiefe der flachen Vertiefungen (34, 36) ist.

3. Dieselmotor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Hilfsübertragungskanal (40), der von der Wirbelkammer (22) zum Hauptverbrennungsraum führt und so angeordnet ist, daß sie von der Wirbelkammer (22) an einer Stelle stromabwärts von der Flugbahn des von der Einspritzdüse (26) in die Wirbelkammer eingespritzten Brennstoffs bezüglich jener Strömungsrichtung ausgeht, in welcher eine in die Wirbelkammer (22) während des Verdichtungstaktes eingepreßte Ladung ihre Wirbelströmung ausbildet.

4. Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Querschnittsfläche (S) des Überführungskanals (24) zur Tiefe (Ld) der flachen Vertiefungen (34, 36) gleich oder kleiner als 50 mm ist.

5. Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Breite (W) des nutenförmigen Abschnitts (32) zur Breite (W_th) des Überführungskanals (24) größer als 2 ist.

6. Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Quadrats der Tiefe (Ld) der flachen Vertiefungen (34, 36) zur mittleren Tiefe (Lm) des nutenförmigen Abschnitts (32) größer als 0,2 mm ist.

7. Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Radius (R) des nasenförmigen Vorsprungs (38) zur Breite (W) des nutenförmigen Abschnitts (32) gleich oder kleiner als 1 ist.