CH635894A5

CH635894A5 - Brennkraftmaschine.

Info

Publication number: CH635894A5
Application number: CH163179A
Authority: CH
Inventors: Uwe Dipl Ing Buddenhagen
Original assignee: Maschf Augsburg Nuernberg Ag
Priority date: 1978-03-08
Filing date: 1979-02-19
Publication date: 1983-04-29
Also published as: JPS6036528U; JPS54126810A; IN151235B; DD142373A1; JPS632572Y2; IN153658B; DE2809914A1; SE7902027L; SU1151222A3; US4235202A; AT380070B; FR2419396A1; IT1112034B; ATA137679A; GB2016079A; DE2809914C2; IN153660B; HU181452B; IN153659B; FR2419396B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, welche im Kolbenboden oder Zylinderkopf einen rotationskörperförmigen, mit einem eingeschnürten Hals versehenen Brennraum aufweist, der am Ende des Verdichtungshubes nahezu die gesamte, in Rotation um die Brennraumlängsachse versetzte Verbrennungsluft aufnimmt.

In den Zylindern bzw. Brennräumen von Brennkraftmaschinen, insbesondere von direkt einspritzenden Brennkraftmaschinen, herrscht im allgemeinen eine intensive Luft- bzw. Gasbewegung, die bereits während des Ansaugvorganges eingeleitet wird und für eine gute Gemischaufbereitung, d.h. für eine gleichmässige Vermischung des Kraftstoffes mit der Verbrennungsluft erforderlich ist.

In den meisten Fällen wird die Luft- bzw. Gasbewegung heute genau gelenkt, um auch gleichzeitig eine gute bzw. geordnete Verbrennung zu erreichen. Dies erfolgt in einfacher Weise beispielsweise dadurch, dass man, wie bereits erwähnt, im Kolbenboden oder Zylinderkopf einen rotationskörperförmigen Brennraum vorsieht und der einströmenden Verbrennungsluft durch bekannte Drallkanäle, Schirmventile oder ähnliches eine Drehbewegung erteilt, die im Brennraum erhalten bleibt. Vielfach wird der Kraftstoff auch unmittelbar in der Nähe der Brennraumwand eingespritzt oder gar als dünner Film direkt auf diese aufgetragen, wo er durch die rotierende Luft in Dampfform abgelöst und mit ihr vermischt wird.

Bei derartigen Verfahren hat sich immer wieder gezeigt, dass die Gemischbildung und damit auch die Verbrennung dennoch unvollständig sind, was sich bekanntlich auf die Leistung, den Wirkungsgrad, den Kraftstoffverbrauch und besonders auf die Abgasqualität auswirkt.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, wurde für nach dem Verfahren der Kraftstoff-Wandauftragung arbeitende Brennkraftmaschinen gemäss der DD-PS 96 750 bereits vorgeschlagen, einen längeren freien Kraftstoffstrahl zu wählen und hinter dem Auftreffpunkt desselben in der Brennraumwand eine abfallende Stufe vorzusehen, durch die der sich infolge seiner kinetischen Energie und der drehenden Luftschichten fortpflanzende Kraftstoffilm wenigstens zum Teil abreisst und unmittelbar mit der Luft vermischt. Insbesondere soll die durch die Stufe auftretende örtliche Wirbelbildung die Voroxydation eines Teiles des Kraftstoffes erhöhen.

Durch die DE-AS 1 526 316 ist es ferner bekannt, als zusätzliche Mittel zum Erreichen einer Voroxydation des Kraftstoffes in der Brennraum wand mehrere, quer zur Strömungsrichtung der Luft verlaufende, abfallende Stufen im Bereich des Auftreffpunktes des Kraftstoffes und dem Teil der Brennraumwand vorzusehen, an dem die Filmbildung erfolgen soll. Der Kraftstoff springt also zunächst von einer Stufe zur anderen und wird so voroxydiert und mit der Luft vermischt.

Die Anbringung derartiger Zusatzmittel hat zwar zu einer Verbesserung der Gemischbildung geführt, jedoch nur zum Teil. Es wurde nämlich vielfach festgestellt, dass in den Stufen oder Rillen, die im Bereich des Kraftstoffilms liegen, immer wieder Kraftstoffansammlungen auftreten, dessen Verbrennung sich dann den örtlichen Gegebenheiten entsprechend lange hinauszieht, wodurch der durch die Zusatzmittel erreichte Vorteil zum Teil wieder aufgehoben wird. Hinzu kommt, dass durch die Stufen die für eine geordnete Verbrennung erforderliche Luftrotation zum Teil gestört wird.

Schliesslich ist es durch die DE-Patentanmeldung P 2'635'847 bekannt, in Richtung der Luftdrehung gesehen, vor dem Kraftstoffilm eine etwa quer zum Luftdrall verlaufende, ansteigende Stufe in der Brennraumwand vorzusehen, durch die die laminare Grenzschichtströmung über dem Kraftstofffilm zerstört wird.

All die genannten Mittel haben gemeinsam den Nachteil, dass sie nur bei direkt einspritzenden Brennkraftmaschinen wirkungsvoll anwendbar sind, die nach dem Verfahren der Kraftstoff-Wandauftragung arbeiten, denn sie sind darauf ausgerichtet, den Film von der Brennraumwand abzutragen.

Hier setzt nun die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, neue Mittel und Wege zu finden, durch welche für Brennkraftmaschinen ganz allgemein, insbesondere jedoch für direkt einspritzende Brennkraftmaschinen eine bessere Gemischbildung und damit Verbrennung ermöglicht wird, wenn die Brennkraftmaschine nur die eingangs genannten Voraussetzungen erfüllt. Dies kann auch bei Vorkammermotoren der Fall sein. Mit der Erfindung sollen unter Berücksichtigung des Brennraumvolumens der grösste

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Brennraumdurchmesser, die Brennraumtiefe, die Neigung und Krümmung der Brennraum wand und die Neigung und Krümmung des Übergangs von der Brennraumwand zum Brennraumboden aufeinander abgestimmt werden, um unter Ausnützung der zwischen der Brennraumwand und der rotierenden Luft entstehenden Reibung eine Grenzschichtströmung zu erzeugen, durch die senkrecht oder nahezu senkrecht zur rotierenden Drehbewegung der Luft verlaufende, Sekundärwirbel erzeugende Geschwindigkeitskomponenten entstehen.

Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe ist, jeweils für unterschiedliche Verhältnisse zwischen Brennraumvolumen V und Brennraumtiefe T, im kennzeichnenden Teil der Patentansprüche 1 bis 5 angegeben.

Die Erfindung benutzt also eine bisher nie berücksichtigte Möglichkeit, wie man Sekundärströmungen erzeugen kann, ohne die Hauptströmung durch Rillen oder Stufen im Brennraum zu beeinträchtigen, indem die mehr oder minder wohl immer vorhandenen Grenzschichtströmungen durch bestimmte Formgebung des Brennraumes sinnvoll ausgenützt werden. Es wurde dabei von der Überlegung ausgegangen, dass der Druckgradient der Hauptströmung von der Brennraumachse aus gesehen zur Brennraumwand hin durch die Fliehkraft positiv ist und sich auf die Grenzschicht schliesslich bei entsprechender Brennraumausbildung derart auswirkt, dass die einzelnen Partikelchen entlang der Brennraumwand abgedrängt werden. Es entstehen senkrecht zur Hauptströmung verlaufende Geschwindigkeitskomponenten, die zu Sekundärwirbeln führen. Die Fliehkraft wird also in der Grenzschicht geringer als der Druckanstieg, daher die Umlenkung. Mit diesen Erkenntnissen kann man bei einem vorgegebenen Brennraumvolumen für einen bestimmten, durch die Hauptströmung und die Konzentrationsverteilung definierten Zustand der Zylinderladung mit Hilfe einer gezielten Formgebung der Brennraumkontur die Sekundärströmungen derart beeinflussen, dass die günstigsten Verhältnisse für die Gemischbildung, Aufbereitung und Verbrennung geschaffen werden.

Vor allem bestimmt die Brennraumtiefe den Anteil der Sekundärströmungen an den Gesamtströmungen, wodurch deren Grösse relativ leicht variierbar ist. Zudem ist der Beginn bzw. das Entstehen der Geschwindigkeitskomponenten und damit die Lage der Sekundärwirbel - in Richtung der Brennraumtiefe gesehen - durch die Wahl der Neigung der Brennraumwand und des Überganges von der Brennraumwand zum Brennraumboden leicht bestimmbar.

Besonders stark ist, wie sich herausstellte, der Einfluss der Sekundärströmungen bei direkt einspritzenden Brennkraftmaschinen, bei denen der Kraftstoff durch eine nahe am Brennraumrand angeordnete Einspritzdüse überwiegend unmittelbar auf die Brennraumwand aufgespritzt wird und sich dort filmartig ausbreitet, weil sich dadurch nahezu der gesamte Kraftstoff im Bereich der Grenzschichtströmung befindet. In diesem Falle können die Neigungen der Brennraumwand und des Überganges von der Brennraumwand zum Brennraumboden derart aufeinander abgestimmt werden, dass eine bestmögliche Filmausbreitung und Ablösung des Kraftstoffes von der Brennraumwand erfolgt und dass das Kraftstoff-Luftangebot über die gesamte Brennraumtiefe in einem gleichmässig günstigen Verhältnis zueinander steht.

Hieraus geht hervor, dass man nicht von einer absolut einheitlichen Brennraumform abgeht. Diese kann vielmehr immer genau den Betriebsverhältnissen eines Motors entsprechend angepasst werden, wobei das Brennraumvolumen und die Brennraumtiefe von besonderer Bedeutung sind.

Wie die Brennräume für bestimmte Verhältnisse auszubilden sind, soll nachfolgend anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Brennraum, in dem die Strömungs verhältnisse der Luft angedeutet sind,

Fig. 2 bis 6 Längsschnitte durch Brennräume nach der Erfindung, wobei jeder Brennraum jeweils die günstigste Form für ein bestimmtes Verhältnis zwischen Brennraumvolumen und Brennraumtiefe darstellt und alle Brennräume für Motoren bestimmt sind, die nach dem Verfahren der Kraft-Stoff-Wandauftragung arbeiten.

In Fig. 1 ist ein rotationskörperförmiger Brennraum 1 dargestellt, der im wesentlichen durch einen eingeschnürten Hals 2, eine seitliche Brennraumwand 3, einen Brennraumboden 4 und einer Krümmung bzw. einem Übergang 5 von der Brennraumwand 3 zum Brennraumboden 4 begrenzt wird. Die Hauptströmung der Verbrennungsluft ist mit co bezeichnet und bildet einen Drall um die Brennraumlängsachse x, der durch entsprechende Ausbildung des Einlasskanals oder andere Mittel beim Einströmen der Luft erzeugt wurde. Der Druckgradient A p der Hauptströmung ist - von der Brennraumlängsachse x zur Brennraumwand 3 hin durch die Fliehkraft positiv.

In der Nähe der Brennraumwand 3 entsteht durch die Reibung der rotierenden Luft an der Brennraumwand 3 eine Grenzschichtströmung, durch die die Geschwindigkeit der Hauptströmung co verlangsamt wird, so dass die Fliehkraft geringer als der Druckanstieg ist. Dies hat zur Folge, dass die einzelnen Partikel entlang der Brennraumwand abgedrängt werden, es entstehen in Richtung zum Brennraumboden 4 hin Geschwindigkeitskomponenten y\und in Richtung zum Brennraumhals 2 hin Geschwindigkeitskomponenten yi, die schliesslich zur Brennraummitte hin abgelenkt werden und so Sekundärwirbel coi, C02bilden. Die Sekundärwirbel coi, C02 unterstützen nun die Hauptströmung co, wodurch die Kraftstoffablösung und Gemischbildung beschleunigt wird. Die Intensität der Sekundärwirbel coi, C02 kann im wesentlichen durch die Stärke der Umlenkung geregelt werden, wodurch der gewünschte Effekt leicht erreichbar ist.

Der Brennraum nach Fig. 2 ist speziell für eine luftverdichtende, direkt einspritzende Brennkraftmaschine ausgelegt, bei der der Kraftstoff als dünner Film auf die Brennraumwand 3 aufgetragen wird, wobei das Verhältnis V/T zwischen 20,0 cm2 und 22,29 cm2 liegt. Mit V ist dabei das Brennraumvolumen und mit T die Brennraumtiefe bezeichnet. Hier wird die beste Gemischbildung erreicht, wenn der Durchmesser d des Brennraumhalses 2 das 0,839- bis 0,911-fache, seine Tiefe t das 0,036- bis 0,125-fache und die grösste Brennraumtiefe T, gemessen vom Kolbenboden 6 aus, das 0,732- bis 0,839-fache des grössten Brennraumdurchmessers D beträgt. Der die Neigung der Brennraumwand 3 erzeugende Radius hat eine Länge R von 0,875.D bis 0,929.D und sein Ansatzpunkt 7 bewegt sich auf einem Kreis, der einen Abstand B von der Brennraumlängsachse x von 0,375.D bis 0,446.D hat und in einer vom Kolbenboden 6 aus gemessenen Tiefe C von 0,375.D bis 0,464.D liegt. Der den Übergang 5 von der Brennraumwand 3 zum Brennraumboden 4 erzeugende Radius schliesslich weist eine Länge r von 0,32l.D bis 0,446.D auf und sein Ansatzpunkt 8 bewegt sich auf einem gedachten Kreis, der in einem Abstand b zwischen 0,054.D und 0,179.D von der Brennraumlängsachse x und zwischen 0,321.D und 0,446.D vom Brennraumboden 4 entfernt liegt.

Die Fig. 3 bis 6 zeigen ebenfalls ganz spezielle Brennräume für Motoren, für die auch der Brennraum nach Fig. 2 gedacht ist, lediglich ergeben sich andere, in den Ansprüchen 2 bis 5 angeführte Abmessungen, weil andere Verhältnisse V/T vorliegen. Dieses Verhältnis V/T liegt

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bei dem Brennraum nach Fig. 3 zwischen 22,3 cm2 und 22,74 cm2,

bei dem Brennraum nach Fig. 4 zwischen 23,0 cm2 und 25,00 cm2,

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bei dem Brennraum nach Fig. 5 zwischen 22,75 cm2 und 22,99 cm2,

bei dem Brennraum nach Fig. 6 zwischen 14,8 cm2 und 16,0 cm2.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Brennkraftmaschine, welche im Kolbenboden oder Zylinderkopf einen rotationskörperförmigen, mit einem ein-, geschnürten Hals (2) versehenen Brennraum (1) aufweist, der am Ende des Verdichtunghubes nahezu die gesamte, in Rotation um die Brennraumlängsachse (x) versetzte Verbrennungsluft aufnimmt, wobei unter Berücksichtigung des Brennraumvolumens (V) der grösste Brennraumdurchmesser (D), die Brennraumtiefe (T), die Neigung und Krümmung der Brennraum wand (3) und die Neigung und Krümmung des Überganges (5) von der Brennraumwand (3) zum Brennraumboden (4) aufeinander abgestimmt sind, um unter Ausnützung der zwischen der Brennraumwand (3) und der rotierenden Luft entstehenden Reibung eine Grenzschichtströmung zu erzeugen, durch die senkrecht oder nahezu senkrecht zur rotierenden Drehbewegung (co) der Luft verlaufende, Sekundärwirbel (coi, (02) erzeugende Geschwindigkeitskomponenten (yi, 72) entstehen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis V/T zwischen 20,00 cm2 und 22,29 cm2 liegt, wobei V das Brennraumvolumen und T die Brennraumtiefe bedeuten, dass der Durchmesser (d) des Brennraumhalses (2) das 0,839- bis 0,911-fache, seine Tiefe (t) das 0,036- bis 0,125-fache und die grösste Brennraumtiefe (T), gemessen vom Kolbenboden (6) aus, das 0,732- bis 0,839-fache des grössten Brennraumdurchmessers (D) beträgt, dass der die Neigung der Brennraumwand (3) erzeugende Radius eine Länge (R) von 0,875.D bis 0,929.D aufweist und sich sein Ansatzpunkt (7) auf einem gedachten Kreis bewegt, der in einem Abstand (B) von der Brennraumlängsachse (x) von 0,375.D bis 0,446.D und in einer vom Kolbenboden (6) aus gemessenen Tiefe (C) von 0.375.D bis 0,464.D liegt, und dass der den Übergang von der Brennraumwand (3) zum Brennraumboden (4) erzeugende Radius eine Länge (r) von 0,321.D bis 0,446.D aufweist und sich sein Ansatzpunkt (8) auf einem gedachten Kreis bewegt, der in einem Abstand (b) zwischen 0,054.D und 0,179.D von der Brennraumlängsachse (x) und zwischen 0,321.D und 0,446.D vom Brennraumboden (4) entfernt liegt (Fig. 2).

2. Brennkraftmaschine, welche im Kolbenboden oder Zylinderkopf einen rotationskörperförmigen, mit einem eingeschnürten Hals (2) versehenen Brennraum (1) aufweist, der am Ende des Verdichtungshubes nahezu die gesamte, in Rotation um die Brennraumlängsachse (x) versetzte Verbrennungsluft aufnimmt, wobei unter Berücksichtigung des Brennraumvolumens (V) der grösste Brennraumdurchmesser (D), die Brennraumtiefe (T), die Neigung und Krümmung der Brennraumwand (3) und die Neigung und Krümmung des Überganges (5) von der Brennraumwand (3) zum Brennraumboden (4) aufeinander abgestimmt sind, um unter Ausnützung der zwischen der Brennraumwand (3) und der rotierenden Luft entstehenden Reibung eine Grenzschichtströ-mung zu erzeugen, durch die senkrecht oder nahezu senkrecht zur rotierenden Drehbewegung (co) der Luft verlaufende, Sekundärwirbel (toi, 002) erzeugende Geschwindigkeitskomponenten (yi, y2) entstehen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis V/T zwischen 22,3 cm2 und 22,74 cm2 liegt, wobei V das Brennraumvolumen und T die Brennraumtiefe bedeuten, dass der Durchmesser (d) des Brennraumhalses (2) das 0,81- bis 0,879-fache, seine Tiefe (t) das 0,036- bis 0,125-fache und die grösste Brennraumtiefe (T), gemessen vom Kolbenboden (6) aus, das 0,707- bis 0,81-fache des grössten Brennraumdurchmessers (D) beträgt, dass der die Neigung der Brennraumwand (3) erzeugende Radius eine Länge (R) von 0,724.D bis 0,793.D aufweist und sich sein Ansatzpunkt (7) auf einem gedachten Kreis bewegt, der in einem Abstand (B) von der Brennraumlängsachse (x) von 0,224.D bis 0,293.D und in einer vom Kolbenboden (6) aus gemessenen Tiefe (C) von 0,362.D bis 0,43l.D liegt, und dass der den Übergang (5) von der Brennraumwand (3) zum Brennraumboden (4) erzeugende Radius eine Länge (r) von 0,345.D bis 0,397.D aufweist und sich sein Ansatzpunkt (8) auf einem gedachten Kreis bewegt, der in einem Abstand (b) zwischen 0,103.D und 0,138.D von der Brennraumlängsachse (x) und zwischen 0,345.D und 0,397.D vom Brennraumboden (4) entfernt liegt (Fig. 3).

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PATENTANSPRÜCHE

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der die Neigung der Brennraumwand (3) erzeugende Radius eine Länge (R) von 0,707.D bis 0,8l.D aufweist und sich sein Ansatzpunkt (7) auf einem gedachten Kreis bewegt, der in einem Abstand (B) von der Brennraumlängsachse (x) von 0,224.D bis 0,293.D und in einer vom Kolbenboden (6) aus gemessenen Tiefe (C) von 0,345.D bis 0,431 .D liegt, und dass der den Übergang von der Brennraumwand (3) zum Brennraumboden (4) erzeugende Radius eine Länge (r) von 0,103.D bis 0,172.D aufweist und sich sein Ansatzpunkt (8) auf einem gedachten Kreis bewegt, der in einem Abstand (b) zwischen 0,276.D und 0,345.D von der Brennraumlängsachse (x) und zwischen 0,103.D und 0,172.D vom Brennraumboden (4) entfernt liegt (Fig. 5).

3. Brennkraftmaschine, welche im Kolbenboden oder Zylinderkopf einen rotationskörperförmigen, mit einem eingeschnürten Hals (2) versehenen Brennraum (1) aufweist, der am Ende des Verdichtungshubes nahezu die gesamte, in Rotation um die Brennraumlängsachse (x) versetzte Verbrennungsluft aufnimmt, wobei unter Berücksichtigung des Brennraum volumens (V) der grösste Brennraumdurchmesser (D), die Brennraumtiefe (T), die Neigung und Krümmung der Brennraumwand (3) und die Neigung und Krümmung des Überganges (5) von der Brennraumwand (3) zum Brennraumboden (4) aufeinander abgestimmt sind, um unter Ausnützung der zwischen der Brennraumwand (3) und der rotierenden Luft entstehenden Reibung eine Grenzschichtströmung zu erzeugen, durch die senkrecht oder nahezu senkrecht zur rotierenden Drehbewegung (co) der Luft verlaufende, Sekundärwirbel (coi, 0)2) erzeugende Geschwindigkeitskomponenten (yi, y2) entstehen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis V/T zwischen 23,0 cm2 und 25,0 cm2 liegt, wobei V das Brennraumvolumen und T die Brennraumtiefe bedeuten, dass der Durchmesser (d) des Brennraumhalses (2) das 0,81- bis 0,899-fache, seine Tiefe (t) das 0,035- bis 0,123-fache und die grösste Brennraumtiefe (T), gemessen vom Kolbenboden (6) aus, das 0,719- bis 0,825-fache des grössten Brennraumdurchmessers (D) beträgt, dass der die Neigung der Brennraumwand (3) erzeugende Radius eine Länge (R) vonl,053.Dbisl,14.D aufweist und sich sein Ansatzpunkt (7) auf einem gedachten Kreis bewegt, der in einem Abstand (B) von der Brennraumlängsachse (x) von 0,56l.D bis 0,632.D und in einer vom Kolbenboden (6) aus gemessenen Tiefe (C) von 0,404.D bis 0,474.D liegt, und dass der den Übergang von der Brennraumwand (3) zum Brennraumboden (4) erzeugende Radius eine Länge (r) von 0,07.D bis 0,14.D aufweist und sich sein Ansatzpunkt (8) auf einem gedachten Kreis bewegt, der in einem Abstand (b) zwischen 0,333.D und 0,404.D von der Brennraumlängsachse (x) und zwischen 0,07.D und 0,14.D vom Brennraumboden (4) entfernt liegt (Fig. 4).

4. Brennkraftmaschine, welche im Kolbenboden oder Zylinderkopf einen rotationskörperförmigen, mit einem eingeschnürten Hals (2) versehenen Brennraum (1) aufweist, der am Ende des Verdichtungshubes nahezu die gesamte, in Rotation um die Brennraumlängsachse (x) versetzte Verbrennungsluft aufnimmt, wobei unter Berücksichtigung des Brennraumvolumens (V) der grösste Brennraumdurchmesser (D), die Brennraumtiefe (T), die Neigung und Krümmung der Brennraum wand (3) und die Neigung und Krümmung des Überganges (5) von der Brennraumwand (3) zum Brennraumboden (4) aufeinander abgestimmt sind, um unter Ausnützung der zwischen der Brennraum wand (3) und der rotierenden Luft entstehenden Reibung eine Grenzschichtströmung zu erzeugen, durch die senkrecht oder nahezu senkrecht zur rotierenden Drehbewegung (co) der Luft verlaufende, Sekundärwirbel (<ai, 002) erzeugende Geschwindigkeitskomponenten (yi, yi) entstehen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis V/T zwischen 22,75 cm2 und 22,99 cm2 liegt, wobei V das Brennraumvolumen und T die Brennraumtiefe bedeuten, dass der Durchmesser (d) des Brennraumhalses (2) das 0,81- bis 0,879-fache, seine Tiefe (t) das 0,034- bis 0,212-fache und die grösste Brennraumtiefe (T), gemessen vom Kolbenboden (6) aus, das 0,707- bis 0,81-fache des grössten Brennraumdurchmessers (D) beträgt, dass s

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