DE4136851A1 - Dieselmotor kleinerer leistung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Dieselmotor kleinerer Leistung mit je einem oder zwei Einlaß- und Auslaßventilen, mit direkter Kraftstoffeinspritzung mittels einer vorzugsweise gegenüber der Zylinderachse exzentrisch und geneigt angeordne­ ten Einspritzdüse, sowie einer im Kolben angeordneten rotati­ onskörperförmigen Brennraummulde.

Bei Dieselmotoren dieser bekannten Art weist die Brennraum­ mulde, welche am Ende des Verdichtungshubes nahezu die gesamte Verbrennungsluft aufnimmt und einen größten Durchmesser hat, der etwa gleich oder kleiner als der halbe Kolbendurchmesser ist, weist an ihrem Übergang zum Zylinderraum eine erhebliche Einschnürung auf. Es ist ferner ein Einlaßkanal zur Erzeugung einer Rotation der einströmenden Luft um die Zylinderachse vorgesehen.

Bei diesen bekannten Dieselmotoren erfolgt die Gemischbildung also nach dem sogenannten Drallverfahren, bei welchem die Mi­ schung von Luft und Kraftstoff durch die Zerstäubung des Kraftstoffes beim Einspritzen durch kleine Düsenbohrungen, ferner durch die Erfassung des beim Einspritzen nicht unmit­ telbar getroffenen Kraftstoffes durch Drehung der Luft um die Zylinderachse.

Man erreicht beim Drallverfahren bei den üblichen drei bis fünf Düsenbohrungen bei raucharmer Verbrennung eine Luftüber­ schußzahl von 1,5 bis 1,6. Die Luft wird also bei diesem Ver­ fahren nicht sehr gut ausgenützt.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Ursache dieser verhältnismäßig schlechten Luftausnützung im wesentli­ chen, in der Bewegung der Luft durch Drall liegt. Es scheint nicht möglich, auch wegen der zusätzlich von anderen Ursachen herrührenden Luftbewegungen eine auch nur annähernd homogene Gemischbildung zu erreichen. Es entsteht eine stark inhomogene Mischung, die Gemischteile mit kleinerem und größerem Luft­ überschuß enthält. Die Gemischteile mit kleinem Luftüberschuß sind Ursache für die Rußbildung und begrenzen die insgesamt zulässige Kraftstoffzufuhr. Jene Gemischteile, die am heißesten verbrennen, werden auch die obere Grenze des NO_x-Gehaltes der Ladung bestimmen. Daher wird die Ladung im allgemeinen umso weniger Ruß und NO_x enthalten, je homogener sie bei gleichem Mittelwert des Luftüberschusses _L ist. Je kleiner _L bei qualitativ zulässiger Verbrennung werden kann, desto besser wird die Luft ausgenützt und desto größer wird das im Zylinder erzielte p₁ bei sonst gleichen Verhältnissen.

Die entsprechenden Voraussetzungen zu schaffen, ist Aufgabe der Erfindung.

Die Erfindung besteht darin, daß die Brennraummulde im Kolben in an sich bekannter Weise wenigstens angenähert halbkugelför­ mig und zum ebenen Boden des Zylinderkopfes hin offen ausge­ bildet ist und daß die Verbrennungsluft in dieser praktisch keinen Drall aufweist und die Einspritzdüse mehrere, minde­ stens zwei Reihen von Einspritzbohrungen, vorzugsweise zusam­ men 15 oder 20 Einspritzbohrungen, aufweist, wobei die Achsen der Einspritzbohrungen jeder Reihe auf je einem von mehreren konzentrischen Kegelmänteln liegen und die Öffnungswinkel der Kegelmäntel sowie die Durchmesser und die Abstände der Ein­ spritzbohrungen so gewählt sind, daß der Kraftstoff in der Brennraummulde möglichst gleichmäßig verteilt und im wesentli­ chen kein Kraftstoff auf die Brennraumwand aufgetragen wird. Hiebei wird zur Gemischbildung hauptsächlich das Mitreißen der Luft beim Ausströmen des Kraftstoffes aus der Düse benützt, was sich gut verwerten läßt.

Die Strahlen haben wegen der erhöhten Anzahl von Einspritzboh­ rungen einen verhältnismäßig kleinen Abstand, so daß eine genü­ gende Aufteilung des Kraftstoffes auf die Verbrennungsluft da­ durch erfolgen kann, daß der Kraftstoff Verbrennungsluft mi­ treißt und die mitgerissene Luft eine Verbrennung des Kraft­ stoffes mit dem für vollkommene Verbrennung notwendigen Luft­ überschuß bewirkt. Die Strahlen werden beim Austritt aus der Düse durch die starke Reibung zwischen Kraftstoffstrahl und Luft infolge der hohen Geschwindigkeitsdifferenz in feine Tröpfchen zerrissen. Durch die Reibung zwischen den Kraft­ stofftröpfchen und der Luft wird die Luft beschleunigt, der Kraftstoff verzögert. Die Luft ist durch die Kompression hoch erhitzt und überträgt Wärme an die Kraftstofftröpfchen. Diese werden dadurch bis zur Verdampfung erhitzt, so daß nach einer bestimmten Länge der Kraftstoffstrahlen die Verdampfung be­ ginnt. Durch die Verdampfung wird das Volumen des Kraftstoffes wesentlich vergrößert und damit die Reibungsflächen zwischen Kraftstoff und Luft vergrößert. Dadurch erfolgt ein wesentlich erhöhter Geschwindigkeitsaustausch zwischen Kraftstoff und Luft, gleichzeitig auch ein erhöhter Austausch von Wärme zwi­ schen beiden. Wenn die Entzündungstemperatur des Kraftstoffes erreicht wird, beginnt dieser zu brennen. Dabei wird das Volu­ men des Kraftstoff-Luftgemisches weiter vergrößert und der Ge­ schwindigkeitsaustausch zwischen Kraftstoff und Luft weiter erhöht, bis sich das brennende Kraftstoffdampf-Luftgemisch an­ nähernd mit gleicher Geschwindigkeit bewegt. Durch die Turbu­ lenz der Strömung wird die Verbrennung beschleunigt.

Bei entsprechender Ausführung der Einspritzdüsen (exakte Boh­ rungen hinsichtlich Länge und Durchmesser) vor allem hinsicht­ lich der Zerstäubung des Kraftstoffes und der Strahlweite mit sonstiger exakter Ausführung der Düsenbohrungen, z. B. gleicher Zufluß zu den Düsenbohrungen, erhält man eine vorbestimmte ge­ setzmäßige Aufteilung des Kraftstoffes auf die einzelnen Dü­ senbohrungen.

Die gleichmäßige Verteilung des Kraftstoffes auf die Luft längs der Kraftstoffstrahlen muß durch entsprechende Abstim­ mung des die Achse der Düsenbohrungen umgebenden Freiraumes, ferner durch die Ausbildung und Anordnung der Kraftstoffstrah­ len bewirkt werden.

Die Reihen von Einspritzbohrungen weisen einen kleinen axialen Abstand voneinander auf, wobei die Einspritzbohrungen der vor­ zugsweise zwei oder drei Reihen, die gleiche oder verschiedene Durchmesser haben können, in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt sind. Auf diese Weise gelingt es, bei gleichem Ge­ samtspritzlochquerschnitt eine größere Anzahl kleinerer Düsen­ bohrungen unterzubringen, wobei gleichzeitig auf eine gleich­ mäßige Verteilung des Kraftstoffes im Brennraum eingewirkt werden kann.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann zusätzlich eine Einspritzbohrung in der Achse der Einspritzdüse angeordnet sein, wodurch die gleichmäßige Verteilung des Kraftstoffes im Achsbereich der Brennraummulde erleichtert werden kann.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die im Kolben angeordnete Brennraummulde einen Durchmesser aufweist, der gleich oder kleiner ist als der halbe Kolbendurchmesser. Dadurch kann bei vorgegebenem Verdichtungsverhältnis, z. B. 1:20, die ange­ strebte angenähert halbkugelförmige Form des Brennraumes si­ chergestellt werden.

Zur Beherrschung der sonst hohen thermischen Belastung des Ausströmrandes der Brennraummulde kann in weiterer Ausgestal­ tung der Erfindung die Brennraummulde im Bereich oberhalb ihres Krümmungsmittelpunktes mit dem selben Krümmungsmittel­ punkt kugelig oder konisch bis zylindrisch ausgebildet sein.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der schematischen Zeich­ nungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 und 2 die erfindungswesentlichen Teile eines Dieselmo­ tors gemäß der Erfindung und zwar Fig. 1 einen Axialschnitt durch den Kolben und Fig. 2 dazu eine Ansicht, Fig. 3 und 4 zeigen die Düsenspitze in größerem Maßstab und zwar Fig. 3 im Axialschnitt und Fig. 4 in Ansicht von oben.

Der mit 1 bezeichnete Kolben, der sonst nicht näher darge­ stellten Brennkraftmaschine, weist eine halbkugelförmige Brennraummulde 2 auf, welche in der Achse 3 des Kolbens 1 an­ geordnet ist. Dieser Kolben ist in seiner oberen Totpunktlage dargestellt, in welcher sich wegen des sehr geringen Abstandes des Kolbens 1 vom nicht dargestellten Boden des Zylinder­ kopfes, praktisch die gesamte Verbrennungsluft befindet. In dieser Stellung taucht die Düse 4, welche auch gegenüber der Zylinderachse exzentrisch und geneigt sein kann, mit ihrer Spitze 4′ in die rotationssymmetrische Brennraummulde 2 ein, wobei sich die Düsenspitze 4′ oberhalb des Krümmungsmittel­ punktes 5 der Brennraummulde 2 befindet. Die Ausströmöffnung 6 der Brennraummulde 2 ist im Bereich des Krümmungsmittelpunk­ tes 5 der Brennraummulde 2 zur Verstärkung des Muldenrandes 6′ anschließend an die Kugelform der Brennraummulde etwa kegelig ausgeführt, wobei diese Form mit einer Abrundung 7 in den Kol­ benboden 1′ übergeht. Die Düsenspitze 4′ weist, ausgehend vom Sackloch 8 drei Reihen von Düsenbohrungen auf, von welchen die unterste Reihe aus vier Düsenbohrungen 9, die mittlere Reihe aus acht Düsenbohrungen 10 und die oberste Reihe aus acht Dü­ senbohrungen 11 besteht, deren Durchmesser vorzugsweise gleich groß ist. Die aus den Düsenbohrungen 10 gebildete mittlere Reihe ist gegenüber den aus den Düsenbohrungen 9 und den Dü­ senbohrungen 11 gebildeten Reihen versetzt angeordnet.

In Fig. 1 und 2 sind die den Düsenbohrungen 9, 10 und 11 zuge­ ordneten Achsen durch ihre gleichbezeichneten Strahlachsen dargestellt. Die zugehörigen teilweise gestrichelt angedeute­ ten Spritzkegel sind mit 9′, 10′ und 11′ bezeichnet. Die Ach­ sen der Düsenreihen liegen je auf einem Kegelmantel, deren Spuren in Fig. 2 mit 9′′, 10′′ und 11′′ bezeichnet sind. Die Ke­ gelmäntel 9′′, 10′′, 11′′ sind konzentrisch zur Kolben- oder Dü­ senachse 3 angeordnet und können etwa folgende Öffnungswinkel aufweisen: Kegelmantel 9′′: 60° bis 0°, Kegelmantel 10′′:120° bis 90° und Kegelmantel 11′′: 170° bis 140°. Die Aufteilung der Düsenbohrungen soll so erfolgen, daß die zugehörigen Strahlen zwar einen geringen Abstand voneinander haben, sich jedoch nicht berühren. Infolge der vorzugsweise gleichen Düsenbohrun­ gen sind auch die Spritzkegel angenähert die selben; deren Strahllänge ist so bemessen, daß praktisch kein Kraftstoff auf die Wand 2′ der Brennraummulde 2 aufgetragen wird.

Claims (3)

1. Dieselmotor kleinerer Leistung mit je einem oder zwei Ein­ laß- und Auslaßventilen, mit direkter Kraftstoffeinsprit­ zung mittels einer vorzugsweise gegenüber der Zylinder­ achse exzentrischen und geneigt angeordneten Einspritz­ düse, sowie einer im Kolben angeordneten rotationskörper­ förmigen Brennraummulde, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennraummulde (2) im Kolben (1) in an sich bekannter Weise wenigstens angenähert halbkugelförmig und zum ebenen Boden des Zylinderkopfes hin offen ausgebildet ist und daß die Verbrennungsluft in dieser praktisch keinen Drall auf­ weist und die Einspritzdüse (4) mehrere, mindestens zwei Reihen von Einspritzbohrungen, vorzugsweise zusammen 15 oder 20 Einspritzbohrungen, aufweist, wobei die Achsen der Einspritzbohrungen (9, 10, 11) jeder Reihe auf je einem von mehreren konzentrischen Kegelmänteln (9′′, 10′′, 11′′) liegen und die Öffnungswinkel der Kegelmäntel sowie die Durchmesser und die Abstände der Einspritzbohrungen (9, 10, 11) so gewählt sind, daß der Kraftstoff in der Brenn­ raummulde (2) möglichst gleichmäßig verteilt und im we­ sentlichen kein Kraftstoff auf die Brennraumwand (2′) auf­ getragen wird.

2. Dieselmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Einspritzbohrung in der Achse (3) der Ein­ spritzdüse (4) angeordnet ist.

3. Dieselmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Brennraummulde (2) im Bereich oberhalb ihres Krümmungsmittelpunktes (5) mit dem selben Krümmungsmittel­ punkt kugelig oder konisch bis zylindrisch ausgebildet ist.