DE3917943A1 - Dieselmotor - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Dieselmotor nach
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren
zum Betreiben eines Dieselmotors nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 8.
Ein solcher Dieselmotor bzw. ein solches Verfahren sind
aus der Praxis bekannt. Dabei handelt es sich um einen
Dieselmotor mit einer Wirbelkammer oder einer
Nebenbrennkammer. Im ersten Fall wird ein
Hochgeschwindigkeits-Gaswirbel während des
Kompressionshubes des Kolbens in einer Nebenkammer
erzeugt, in welchen der Kraftstoff in einer geeigneten
Richtung eingespritzt wird. Die Verbrennung des
Kraftstoffs erfolgt hauptsächlich in dieser Nebenkammer.
Im zweiten Fall erzeugt das aus der Nebenkammer
austretende Verbrennungsgas in der Hauptkammer einen
Wirbel, um die Verbrennung zu verbessern, wobei der
Hauptkammer-Verbrennungsgrad höher ist als im
erstgenannten Fall. In beiden Fällen beginnt die
Kraftstoffverbrennung durch ein Einspritzen des
Kraftstoffs in das Gas, welches während des
Kompressionshubs in die Nebenkammer strömt. Die
Verbrennung wird durch ein Austreten des
Verbrennungsgases in die Hauptbrennkammer in dieser
fortgesetzt, um eine vollständige Kraftstoffverbrennung
zu erzielen. Dem zeitabhängigen Wechsel der
Verbrennungsgas/Kraftstoff-Austrittsmenge aus der Neben-
in die Hauptbrennkammer und den einzelnen
Gemischzuständen, kommt für die Qualität der Verbrennung
besondere Bedeutung zu. Bisher ist es nicht gelungen,
die Nebenbrennkammer so zu gestalten, daß optimierte
Bedingungen für die allgemeine Verwendung erzielt werden
konnten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen
Dieselmotor bzw. ein Verfahren zum Betreiben eines
Dieselmotors der eingangs genannten Art so
auszugestalten, daß ein höherer
Luftausnutzungskoeffizient und damit ein besserer
Verbrennungswirkungsgrad erreicht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Dieselmotor
bzw. einem Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors
vorrichtungsseitig durch die kennzeichnenden Merkmale
des Patentanspruchs 1 und verfahrensseitig durch die
kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 8 gelöst.
Wenn die mantelförmige Drosselfläche A 2 kleiner ist als
die Querschnittsfläche A 1, entsteht beim Strömen des
Gases aus der Haupt- in die Nebenbrennkammer ein
Drosseleffekt. Durch den damit verbundenen Druckanstieg
in der Hauptbrennkammer wird die Gasströmung aus der
Haupt- in die Nebenbrennkammer für einen längeren
Zeitraum durchgeführt, so daß sich ein höherer
Luftausnutzungskoeffizient und dadurch eine bessere
Verbrennung in der Nebenbrennkammer ergibt. Ein höherer
Verbrennungswirkungsgrad ist die Folge.
Vorteilhaft ist ferner, die Drosselfläche zylindrisch
auszubilden, da sich eine solche Drosselfläche bei einem
Verbindungskanal mit kreisförmiger Querschnittsfläche
ohne tiefgreifende Änderungen an der Haupt- und
Nebenbrennkammer sowie an dem Kolben erzielen läßt. Eine
solche Drosselfläche ergibt sich deshalb bei relativ
geringen Konstruktions- und Herstellungskosten.
Es ist aber auch möglich, die Drosselfläche konisch
auszubilden, so daß bei einem Kompressionshub des
Kolbens, d.h. bei einer Gasströmung aus der Haupt- in
die Nebenbrennkammer, ein etwa tangentiales Einleiten
der Gasströmung in die Nebenbrennkammer möglich ist. Ein
solches tangentiales Einleiten der Gasströmung in die
Nebenbrennkammer ist aber auch mit Hilfe eines
tangential in die Nebenbrennkammer einmündenden
Verbindungskanals erzielbar. Mit Hilfe des tangentialen
Einleitens der Gasströmung in die Nebenbrennkammer
ergibt sich in dieser ein Luftwirbel, in den der
Kraftstoff eingespritzt wird. Ein solcher Luftwirbel
führt zu einer guten Durchmischung des
Gas/Kraftstoff-Gemisches und damit zu einem guten
Verbrennungswirkungsgrad.
Günstig ist ferner, daß sich der Kolben zu Beginn der
Kraftstoff-Einspritzung nahe seinem oberen Totpunkt
befindet, da der Druckanstieg in der Hauptbrennkammer
vollständig ausgenutzt werden kann, wenn sich der Kolben
in dieser Stellung befindet. Der Druckanstieg kann somit
schneller und weitgehend ohne Verluste, in kinetische
Energie umgewandelt werden.
Vorteilhaft ist außerdem, daß die Drosselfläche mehr als
0,5% der Kolbenquerschnittsfläche am oberen Totpunkt des
Kolbens beträgt, da auf diese Weise die Drosselverluste
verringert und ein besserer Wirkungsgrad erzielt werden
können.
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden
nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen:
Fig. 1A, B eine schematische Darstellung
eines ersten Ausführungsbei
spieles des erfindungsgemäßen
Dieselmotors;
Fig. 2 ein Diagramm zum Darstellen
der Verbrennungszustände eines
bekannten Dieselmotors, in
welchem Druck und Gasgeschwin
digkeit über der jeweiligen
Kolbenstellung aufgetragen sind;
Fig. 3 ein Diagramm gemäß Fig. 2 für
einen erfindungsgemäßen Dieselmotor;
Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen
erfindungsgemäßen Dieselmotor;
Fig. 5 einen Längsschnitt durch einen
im Vergleich zu Fig. 4 um 90°
gedrehten Dieselmotor;
Fig. 6 ein zweites Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Dieselmo
tors; und
Fig. 7 ein drittes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Dieselmo
tors.
Fig. 1A zeigt eine am oberen Ende eines Zylinders 8
angeordnete Hauptbrennkammer 10 und eine mittig darüber
angeordnete, kugelförmige Nebenbrennkammer 12, die mit
Hilfe eines Verbindungskanals 14 mit der
Hauptbrennkammer 10 verbunden ist. In dem Zylinder 8 ist
ein Kolben 16 auf- und abbewegbar, dessen Stirnfläche 18
die Hauptbrennkammer 10 nach unten begrenzt. An der
Oberseite der Nebenbrennkammer 12 ist eine
Einspritzvorrichtung 28 zum Einspritzen des Kraftstoffs
in die Nebenbrennkammer 12 vorgesehen.
Wie in Fig. 1A gestrichelt und unterhalb genauer
dargestellt, weist der Verbindungskanal 14 an seinem
unteren Ende 14 a eine kreisförmige Querschnittsfläche
auf, so daß sich zwischen dem unteren Ende 14 a und der
Stirnfläche 18 des Kolbens 16 ein gedachter Körper 19
mit einer zylindrischen mantelförmigen Drosselfläche A 2
ergibt.
Fig. 1B zeigt dieselbe Darstellung wie Fig. 1A, jedoch
zu einem späteren Zeitpunkt, in dem der Kolben 16 seinen
oberen Totpunkt TDC erreicht hat, Kraftstoff durch die
Einspritzvorrichtung 28 in die Nebenbrennkammer 12
eingeleitet wird und die mantelförmige Drosselfläche A 2
kleiner ist als die Querschnittsfläche A 1 des
Verbindungskanals 14. In dieser Darstellung weist der
gedachte Körper 19 im Vergleich zur Darstellung gemäß
Fig. 1A eine identische Querschnittsfläche A 1, jedoch
eine verminderte mantelförmige Drosselfläche A 2 auf, da
der vertikale Abstand zwischen dem unteren Ende 14 a des
Verbindungskanals und der Stirnfläche 18 des Kolbens 16
aufgrund der oberen Totpunktlage des Kolbens geringer
ist als in einer Lage vor Erreichen des oberen Totpunkts
gemäß Fig. 1A.
Wie Fig. 1B ferner verdeutlicht, befindet sich der
Kolben 16 zu Beginn der Kraftstoffeinspritzung in oder
nahe seinem oberen Totpunkt. Außerdem soll die
Drosselfläche A 2 mehr als 0,5% der
Kolbenquerschnittsfläche zu dem Zeitpunkt betragen, bei
dem sich der Kolben 16 an seinem oberen Totpunkt
befindet.
Gemäß Fig. 2 liegt das Kraftstoffeinspritzintervall I
bei einem herkömmlichen Dieselmotor ebenso wie bei dem
erfindungsgemäßen Dieselmotor gemäß Fig. 3 zwischen
einer um 20° vor dem oberen Totpunkt TDC und dem oberen
Totpunkt TDC liegenden Lage des Kurbelwinkels. Die
Gasgeschwindigkeit V von der Haupt- in die
Nebenbrennkammer (s. senkrechter Pfeil nach unten in
Fig. 2) erreicht in der 20°-Stellung des Kolbens vor dem
oberen Totpunkt ein Maximum und fällt dann etwa nach dem
halben Kraftstoffeinspritzintervall I steil auf Null ab.
In bezug auf den Haupt- und Nebenkammerdruck P M , P S
verdeutlicht Fig. 2, daß der Nebenkammerdruck P S beim
Zünden des in die Nebenkammer eingespritzten Kraftstoffs
so ansteigt, daß der Nebenkammerdruck P S etwa mit dem
Hauptkammerdruck P M übereinstimmt. Dadurch ist die
Gasströmung aus der Haupt- in die Nebenkammer bei etwa
10° vor Erreichen des oberen Totpunkts des Kolbens
unterbrochen. Die Gasströmung in die Nebenbrennkammer
ist also etwa auf halbem Weg des Kolbens zwischen der
20°-Stellung vor Erreichen des oberen Totpunkts und der
oberen Totpunktlage unterbrochen. Die Menge der in die
Nebenbrennkammer einfließenden Gasströmung ist demnach
verringert, so daß sich ein niedriger
Luftausnutzungskoeffizient und ein geringer Wirkungsgrad
ergibt.
Gemäß Fig. 3 ergibt sich für den erfindungsgemäßen
Dieselmotor ein Kraftstoffeinspritzintervall I von der
20°-Stellung vor Erreichen des oberen Totpunkts bis zur
oberen Totpunktlage. Die Gasgeschwindigkeit von der
Haupt- in die Nebenkammer fällt also erst beim Erreichen
des oberen Totpunkts des Kolbens auf einen Wert Null ab.
Eine solche relativ lang andauernde Gasströmung in die
Nebenbrennkammer ist durch einen Anstieg des in Fig. 3
gestrichelt dargestellten Hauptbrennkammerdrucks P M
ermöglicht. Dieser erreicht etwa in der oberen
Totpunktlage des Kolbens den Nebenkammerdruck P S und
liegt in der sich der oberen Totpunktlage anschließenden
Stellung des Kolbens unterhalb des Nebenkammerdrucks P S ,
so daß sich eine Gasströmung von der Neben- in die
Hauptbrennkammer einstellt (s. senkrechter Pfeil nach
oben in Fig. 2).
In den Fig. 4 und 5 sind Längsschnitte durch einen
erfindungsgemäßen Dieselmotor 20 dargestellt, der als
Zweitakt-Dieselmotor ausgebildet ist und eine
Kurbelgehäuse-Vorkompression umfaßt. Der Dieselmotor 20
weist in seinem unteren Abschnitt ein Kurbelgehäuse 24
auf, das über ein Ventil 22 mit dem Eingangsgas, z.B.
Luft, verbunden ist. Der Kolben 16 ist mit Hilfe eines
Kurbelarms 23 mit einer Kurbelwelle 25 so verbunden, daß
der Kolben 16 bei einer Drehbewegung der Kurbelwelle 25
eine Auf- und Abbewegung ausführt. Der Kolben 16 ist in
dem Zylinder 8 hin- und herbewegbar geführt, wobei die
Hauptbrennkammer 10 zwischen der Oberseite des Zylinders
8 und der Stirnfläche 18 des Kolbens 16 vorgesehen ist.
Oberhalb der Hauptbrennkammer 10 ist die
Nebenbrennkammer 12 angeordnet und über den
Verbindungskanal 14 mit der Hauptbrennkammer verbunden.
Der Verbindungskanal 14 mündet gemäß Fig. 4 etwa
tangential in die Nebenbrennkammer 12 ein. Außerdem sind
der Nebenbrennkammer 12, dem Verbindungskanal 14 etwa
gegenüberliegend, eine Einspritzvorrichtung 28, z.B.
eine Einspritzpumpe, und eine Glühkerze 30 zugeordnet.
Zwischen der Hauptbrennkammer 10 und dem Kurbelgehäuse
24 ist ein Spülkanal 26 vorgesehen, durch den das in
dem Kurbelgehäuse 24 vorkomprimierte Gas in die
Hauptbrennkammer 10 eintreten kann. Am oberen Ende des
Spülkanals 26 ist ein Auspuffkanal 34 (Fig. 4) und am
oberen Ende der Hauptbrennkammer 10 ein Dekompressionskanal 32
(Fig. 5) vorgesehen.
Ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Dieselmotors ist in Fig. 6 gezeigt. In diesem Fall
mündet der Verbindungskanal 14 etwa tangential in die
Nebenbrennkammer 12 und zweigt von der Hauptbrennkammer
10 schräg ab. Der Verbindungskanal 14 mit der
Querschnittsfläche A 1 weist ein unteres, zur
Hauptbrennkammer 10 weisendes Ende 14 b auf. Der zwischen
dem unteren Ende 14 b des Verbindungskanals und der
Stirnfläche 18 des Kolbens 16 sich erstreckende gedachte
Körper 19 weist gemäß Fig. 6 eine zylindrische,
mantelförmige Drosselfläche A 2 auf.
Ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Dieselmotors zeigt Fig. 7. Der Kolben 16 weist einen
mittig auf seiner Stirnfläche 18 angeordneten Vorsprung
16 a auf, der kegelig, mit zum Verbindungskanal 14 hin
sich verjüngenden Kanten ausgebildet ist. Die
Drosselfläche A 2 ist in diesem Fall eine konische
Mantelfläche B 2, die sich mit der kürzesten Länge a 2
zwischen dem unteren Ende des Verbindungskanals 14 und
dem Vorsprung 16 a erstreckt. Die konische Mantelfläche
B 2 weist deshalb eine im unteren Teil der Fig. 7
dargestellte Form auf.
Der erfindungsgemäße Dieselmotor 20 wird wie folgt
betrieben:
Während des Aufwärtshubs des Kolbens 16 wird die
Einlaßluft über das Ventil 22 in das Kurbelgehäuse 24
eingeleitet. Beim sich anschließenden Abwärtshub des
Kolbens 16 wird die Luft in dem Kurbelgehäuse 24
komprimiert und strömt durch den Spülkanal 26 in die
Hauptbrennkammer 10. Während des Aufwärtshubs des
Kolbens 16 wird die Luft in der Hauptbrennkammer 10
weiter komprimiert, wobei ein Teil durch den
Verbindungskanal 14 so in die Nebenbrennkammer 12
strömt, daß Luftwirbel erzeugt werden, in die der
Kraftstoff mittels der Einspritzvorrichtung 28
eingespritzt wird. Aufgrund des zuvor beschriebenen
Drosseleffektes (A 2<A 1) steigt der Druck in der
Hauptbrennkammer kurz vor der Kraftstoffeinspritzung an,
so daß die Lufteinleitung in die Nebenbrennkammer 12
über einen längeren Zeitraum erfolgt. Der in der
Nebenbrennkammer 12 selbst entzündliche Kraftstoff
verursacht eine starke Verwirbelung. Aufgrund des
Drosseleffektes tritt das Luft/Kraftstoff-Gemisch erst
im Zeitpunkt der oberen Totpunktlage des Kolbens, wenn
der Hauptkammerdruck P M den Nebenkammerdruck P S erreicht
bzw. überschritten hat, aus der Nebenbrennkammer 12 in
die Hauptbrennkammer 10 ein. Der Zeitpunkt des
Druckausgleichs zwischen Haupt- und Nebenbrennkammer
fällt bei dem erfindungsgemäßen Dieselmotor etwa mit dem
oberen Totpunkt des Kolbens 16 zusammen. Das bei der
Kraftstoffverbrennung entstehende Abgas wird
anschließend aus der Hauptbrennkammer 10 über den
Auspuffkanal 34 abgeführt.
Claims (8)
1. Dieselmotor mit einer in einem Zylinder vorgesehenen
Hauptbrennkammer, einem in dem Zylinder bewegbaren
Kolben, einer Nebenbrennkammer, in die der Kraftstoff
eingespritzt wird, und einem Verbindungskanal zwischen
Haupt- und Nebenbrennkammer, dadurch gekennzeichnet, daß
spätestens zu Beginn der Kraftstoffeinspritzung
A₂ < A₁ist, wobei
A₁ die kleinste Querschnittsfläche des Verbindungskanals (14) und
A₂ die kleinste mantelförmige Drosselfläche des zwischen dem zur Hauptbrennkammer (10) weisenden Ende (14 a) und der Stirnfläche (18) des Kolbens (16) sich erstreckenden gedachten Körpers (19) bedeuten.
A₁ die kleinste Querschnittsfläche des Verbindungskanals (14) und
A₂ die kleinste mantelförmige Drosselfläche des zwischen dem zur Hauptbrennkammer (10) weisenden Ende (14 a) und der Stirnfläche (18) des Kolbens (16) sich erstreckenden gedachten Körpers (19) bedeuten.
2. Dieselmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Körper (19) ein Zylinder ist und die
Drosselfläche (A 2) eine zylindrische Form aufweist.
3. Dieselmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kolben (16) an seiner Stirnfläche (18) einen
gegenüber dem Verbindungskanal (14) angeordneten
Vorsprung (16 a) aufweist.
4. Dieselmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Vorsprung (16 a) konisch, zum Verbindungskanal
(14) sich verjüngend ausgebildet ist, der Körper (19)
ein Konus ist und die Drosselfläche (A 2) eine konische
Form aufweist.
5. Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (14) so
angeordnet ist, daß er tangential in die
Nebenbrennkammer (12) einmündet.
6. Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß sich der Kolben (16) zu Beginn der
Kraftstoffeinspritzung zwecks eines Ausgleichens der in
Haupt- und Nebenbrennkammer (10), (12) vorherrschenden
Drücke nahe seinem oberen Totpunkt befindet.
7. Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Drosselfläche (A 2) mehr als 0,5%
der Kolbenquerschnittsfläche am oberen Totpunkt des
Kolbens (16) beträgt.
8. Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors,
insbesondere nach den Ansprüchen 1 bis 7, bei welchem
während des Kompressionshubes eines Kolbens Gas aus
einer Haupt- in eine Nebenbrennkammer gedrückt wird und
die Gasgeschwindigkeit etwa 20° vor dem oberen Totpunkt
des Kolbens einen maximalen Wert erreicht und dann
abfällt, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszufuhr aus
der Haupt- in die Nebenbrennkammer so gedrosselt wird,
daß der Druck in der Hauptbrennkammer ansteigt und die
Gaszufuhr etwa solange fortgesetzt wird, bis der Kolben
seinen oberen Totpunkt erreicht hat, so daß der Eintritt
des Gas/Kraftstoff-Gemisches aus der Neben- in die
Hauptbrennkammer verzögert wird.
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Title |
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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