DE3237798C2

DE3237798C2 - Dieselmotor mit einem Hauptbrennraum und einer Wirbelkammer

Info

Publication number: DE3237798C2
Application number: DE3237798A
Authority: DE
Inventors: Toshiaki Chigasaki Tanaka
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1981-10-15
Filing date: 1982-10-12
Publication date: 1984-08-23
Also published as: US4541375A; DE3237798A1; GB2107392A; GB2107392B; JPS6236132B2; JPS5865930A

Abstract

In einem Wirbelkammer-Dieselmotor ist ein die Wirbelkammer mit dem Hauptbrennraum verbindender Hilfsdurchlaß gegenüber der Strahlrichtung des in die Wirbelkammer eingespritzten Brennstoffs um ein Stück in der Richtung der Wirbelbewegung in der Wirbelkammer versetzt angeordnet, und seine Querschnittsfläche ist in bezug auf die des Hauptdurchlasses und die der den Hauptbrennraum umgrenzenden Zylinderbohrung derart abgestimmt, daß sowohl die Rauch entwicklung als auch die Bildung von NO ↓x auf ein Mindestmaß verringert sind.

Description

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

Bei einem solchen aus der DE-PS 11 72 472 bekannten Dieselmotor wird der untere Teil der Wirbelkammer durch einen sogenannten Brenner gebildet, der über mehrere im wesentlichen radial verlaufende und auf einem etwa kreisförmigen Umfang angeordnete Überströmöffnungen mit dem Hauptbrennraum verbunden ist. An seinem oberen Ende ist der Brenner über den Hauptdurchlaß mit der Wirbelkammer verbunden, der einen kreisabschnittförmigen Querschnitt hat. Durch diese Anordnung soll ein möglichst großer Abstand zwischen dem in die Wirbelkammer einströmenden Luftstrom und dem in entgegengesetzter Richtung eingespritzten Brennstoff hergestellt werden, um Luft und Brennstoff besser auseinanderzuhalten, so daß eine von der einströmenden Luft möglichst getrennte Vorlagerung des eingespritzten Brennstoffes und eine Aufbereitung des zündfähigen Gemisches im Gleichstrom von Luft und Brennstoff ermöglicht wird.

Bei einem aus der US-PS 29 79 044 bekannten Dieselmotor befindet sich der Hilfsdurchlaß ebenfalls bezüglich der in der Wirbelkammer herrschenden Wirbelrichtung stromauf vom Hauptdurchlaß. Durch diesen Hilfsdurchlaß gelangt ein kleiner Teil des in die Wirbelkammer eingespritzten Brennstoffes direkt in den Hauptbrennraum, um die bei der Verbrennung auftretenden Spitzentemperaturen zu verringern und damit die Bildung von NO» zu unterdrücken. Dabei ist der Hilfsdurchlaß genau gegenüber dem Einspritzventil angeordnet und verläuft in Verlängerung des von diesem eingespritzten Brennstoffstrahls. Daraus ergibt sich der Nachteil, daß ein nicht vollständig zerstäubter Anteil des eingespritzten Brennstoffes aufgrund von Trägheitskräften in Form von größeren Tröpfchen durch den Hilfsdurchlaß hindurch direkt in den Hauptbrennraum gelangt und sich unvollständig mit der in diesem enthaltenen Luft vermischt Dieses unvollständige Gemisch wird anschließend durch die einen niedrigen Sauerstoffgehalt aufweisende, von der Wirbelkammer ausgehende Stichflamme gezündet, was zu einer unvollständigen Verbrennung des Brennstoffs im Hauptbrennraum und damit zu einer erhöhten Rauchbildung führt

Bei einem aus der US-PS 23 80 615 bekannten Dieselmotor ist ein Hilfsdurchlaß so angeordnet, daß er Turbulenz in der Wirbelkammer bis zu einem solchen Grad erzeugen soll, daß verhindert wird, daß eingespritzter Brennstoff aufgrund des durch die Hauptdurchlässe gebildeten Wirbels in der Wirbelkammer nicht gegen deren Wände geschwemmt werden kann. Dadurch soll eine Rauchbildung vermieden werden. Bei voller Belastung dieser bekannten Brennkraftmaschine erreicht ein großer Teil des eingespritzten Kraftstoffes die gegenüberliegende Wand der Wirbelkammer und tritt in den Hauptdurchlaß ohne eine feine Zerstäubung ein, um relativ große Brennstofftröpfchen unmittelbar in die Mitte des Hauptbrennraumes zu führen. Dadurch soll ein Anhafien des Brennstoffes an den Wänden des Hauptbrennraumes verhindert werden.

Bei einem aus der AT-PS 1 63 554 bekannten Dieselmotor wird der Brennstoff gegen eine stromabwärtige Kante des Hauptdurchlasses gespritzt. Zwei Hilfsdurchlässe sind bezüglich der Wirbelrichtung in der Wirbelkammer stromab vom Hauptdurchlaß vorgesehen, um wiederum eine Turbulenz innerhalb dieser Wirbelströmung zu erzeugen.
Aus der DE-AS 11 19 043 ist ein Hauptdurchlaß und ein Hilfsdurchlaß bekannt, in denen Ventilglieder angeordnet sind, die nach Maßgabe der Kolbenbewegung so gesteuert werden, daß Haupt- und Hilfsdurchlaß nach der Verbrennung, also während des Expansionshubes, gesperrt werden können. Der Brennstoff wird mit Hilfe

des Finspritzventils unmittelbar neben diesem auf den benachbarten Teil der Wand der Wirbelkammer gespritzt.

Bei einem aus der CH-PS 4 57 969 bekannten Dieselmotor wird der Brennstoff ebenfalls auf die stromabwärtige Kante des Hauptdurchlasses gespritzt, der wiederum bezüglich der Wirbelrichtung in der Wirbelkammer stromab vom Hauptdurchlaß angeordnet ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Dieselmotor der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art so wei-

terzubilden, daß unter Beibehaltung des Vorteils einer Verringerung der Bildung von Stickoxiden auch die Rauchentwicklung weiter vermindert wird.

Bei einem Dieselmotor der genannten Art ist diese Aufgabe durch das im kennzeichnenden Teil des An-Spruchs 1 angegebene Merkmal gelöst.

Durch die besondere Anordnung der Brennstoff-Strahlrichtung in bezug auf die Hilfsdurchlässse sowie deren besondere Formgebung wird sichergestellt, daß den Kern des Brennstoffstrahls umgebende und sehr fein zerstäubte Brennstoffteilchen unmittelbar in die Hilfsdurchlässe gelangen können, wobei diese ihre vom Einspritzventil erteilte kinetische Bewegungsenergie beibehalten und zu ihrer Hindurchleitung zum Hauptbrennraum benutzen. Größere Brennstoffteilchen können dagegen nicht in die Hilfsdurchlässe eintreten, sondern treffen vielmehr an dem ihm benachbarten Teil auf die Wand der Wirbelkammer, von wo sie dann durch den Wirbel innerhalb der Wirbelkammer an der Mün-

dung der Hilfsdurchlässe vorbei mitgenommen werden, wodurch das Hindurchleiten der fein zerstäubten Brennstofteilchen durch die Hilfsdurchlässe weiter gefördert wird. Durch diese Ausbildung wird also der Vorteil beim gattungsbiidenden Stand der Technik, nämlich eine Verringerung der Bildung von Stickoxiden, voll beibehalten, gleichzeitig aber auch sichergestellt, daß die Rauchentwicklung infolge von unverbranntem Brennstoff geringer ist, die beim Stand der Technik durch das unmittelbare Hindurchleiten von größeren Brennstofftröpfchen durch den Hilfsdurchlaß hindurch bisher noch auftritt.

Eine Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 angegeben.

Ausführungsbeispiele eines Dieselmotors werden anhand der Zeichnungen erläutert. Im einzelnen zeigt

F i g. 1 einen Schnitt einer bekannten weniger günstigen Anordnung des Hilfsdurchlasses,

Fig.2 einen Schnitt einer günstigeren Anordnung der Hilfsdurchlasses,

Fig.3 eine grafische Darstellung der Beziehungen zwischen der Versetzung des Hilfsdurchlasses gegenüber der Strahlrichtung des eingespritzten Brennstoffs und der davon abhängigen Rauchentwicklung und Bildung von NO»,

F i g. 4 einen Schnitt einer erfindungsgemäßen Ausführungsform,

F i g. 5 einen Schnitt längs der Linie V-V in F i g. 4,

Fig.6 eine grafische Darstellung der Beziehungen zwischen dem prozentualen Verhältnis der Summe der Querschnittsflächen des Hauptdurchlasses und des Hilfsdurchlasses und der Querschnittsfläche der Zylinderbohrung einerseits und der Bildung von NO* und der Rauchentwicklung andererseits bei Änderungen der Querschnittsflächen sowohl des Hilfsdurchlasses als auch des Hauptdurchlasses unter Beibehaltung eines prozentualen Verhältnisses der Querschnittsfläche des Hilfsdurchlasses zu der des Hauptdurchlasses von 13% und

Fig.7 eine grafische Darstellung der Beziehungen zwischen dem prozentualen Verhältnis zwischen der Querschnittsfläche des Hilfsdurchlasses und der Summe der Querschnittsflächen des Hauptdurchlasses und des Hilfsdurchlasses einerseits und der Bildung von NO₁ und der Rauchentwicklung andererseits unter Beibehaltung eines prozentualen Verhältnisses der Summe der Querschnittsflächen des Hauptdurchlasses und des Hilfsdurchlasses zur Querschnittsfläche de·· Zylinderbohrung von 0,9°,Ό.

In der in Fig. 1 gezeigten Anordnung erkennt man eine über einen Hauptdurchlaß sowie über einen Hilfsdurchlaß 1 mit einem durch eine Zylinderbohrung umgrenzten Hauptbrennraum 3 strömungsverbundene Wirbelkammer 4, in welcher ein Einspritzventil 2 ausmündet. Aus dem Hauptbrennraum 3 über den Hauptdurchiaß in die Wirbelkammer 4 gepreßte Verbrennungsluft vollführt in dieser eine durch Pfeile angedeutete Wirbelbewegung. Der Hilfsdurchlaß 1 ist genau gegenüber dem Einspritzventil 2 angeordnet und verläuft in Verlängerung der Achse L eines über das Ventil eingespritzten Brennstoffstrahls. Aus den eingangs erläuterten Gründen ergibt sich daraus zwar eine Verringerung der Bildung von Stickoxiden, dafür jedoch unter Umständen eine verstärkte Rauchentwicklung.

Diesem Nachteil winJ durch eine in F i g. 2 dargestellte Ausführungsform aP^eholfen. Die dargestellte Anordnung gehört zu eii^1|om ein Verdichtungsverhältnis von beispielsweise 20 b'^ 24 : I aufweisenden Dieselmotor, bei welchem das Verhältnis zwischen dem Volumen der Wirbelkammer und dem Volumen des Gesamtbrennraums im Bereich von etwa 40 bis 60% liegt Ein Hauptbrennraum 10 ist mit der Wirbelkammer 12 über einen Hauptdurchlaß 14 und einen Hilfsdurchlaß 16 strömungsverbunden. Ein Einspritzventil 18 dient der Einspritzung eines Brennstoffstrahls mit einer mittleren Strahlrichtung L in die Wirbelkammer 12. Bei Annäherung eines Kolbens 20 an seinen oberen Totpunkt wird die im Hauptbrennraum 10 vorhandenen Verbrennungsluft durch den Hauptdurchlaß 14 in die Wirbelkammer 12 gepreßt Diese ist im wesentlichen kugelförmig, so daß die in sie eingepreßte Luft eine durch Pfeile angedeutete Wirbelbewegung darin vollführt.

Der Hilfsdurchlaß 16 ist in Richtung der Wirbelbewegung um ein kleines Stück gegenüber der mittleren Strahlrichtung L des eingespritzten Brennstoffs versetzt angeordnet Bei der Einspritzung des Brennstoffs in die Wirbelkammer folgt der größte Teil des Brennstoffs unter dem Einfluß von Trägheitskräften der mittleren Strahlrichtung L Ein gewisser Anteil des Brennstoffs wird dabei jedoch so fein zerstäubt, daß er von der in der Wirbelkammer rotierenden Luftmasse in Richtung auf den Hilfsdurchlaß 16 abgelenkt wird und in diesen eintritt Der größere Anteil des Brennstoffs beaufschlagt jedoch die Wandung der Wirbelkammer an der Zuströmseke des Hilfsdurchlasses und wird anschließend von der rotierenden Luftmasse mitgerissen. Dank dieser Anordnung ist der über den Hilfsdurchlaß in den Hauptbrennraum 10 gelangende Brennstoff zum größten Teil äußerst fein zerstäubt, so daß er sich innig mit der im Hauptbrennrauin 10 vorhandenen Luft vermischen kann. Schlägt dann nach Zündung des Brennstoffs in der Wirbelkammer die Zündflamme in den Hauptbrennraum, so kann der innig mit der Luft vermischte Brennstoff darin sauber und ohne Rauchentwicklung verbrennen.

F i g. 3 zeigt in grafischer Darstellung die Beziehungen zwischen der in der Einfügung rechts oben mit X bezeichneten Versetzung der Mittelachse des Hilfsdurchlasses gegenüber der mittleren Strahlrichtung L einerseits und der jeweiligen Bildung von NO, und Rauchentwicklung andererseits. Wie man aus den Kurven erkennt, ist durch eine Versetzung X des Hilfsdurchlasses 16 um etwa 1,5 bis 2 mm gegenüber der mittleren Strahlrichtung L eine beträchtliche Verringerung sowohl der Bildung von NO, als auch der Rauchentwicklung erzielbar.
Bei der in F i g. 4 gezeigten Ausführungsform ist der Hilfsdurchlaß in zwei etwa halbmondförmige Durchlässe 22 unterteilt, welche durch ein säulenähnliches Mittelstück 24 voneinander getrennt sind. Der Brennstoffstrahl ist dabei auf das Mittelstück 24 gerichtet. Diese Anordnung ist mit Vorteil in einem Dieselmotor anwendbar, in welchem die Wirbelbewegung in der Wirbelkammer nicht übermäßig stark ausgeprägt ist, d. h. in welchem der Hauptdurchlaß einen innerhalb der weiter unten angegebenen Grenzen größtmöglichen Durchmesser hat, so daß nur eine begrenzte Wirbelbewegung in der Wirbelkammer auftritt, wobei dann der fein zerstäubte Brennstoff durch die beiden Durchlässe 22 hindurchtreten kann.

Um eine weitere Verringerung der Bildung von NO, sowie der Rauchentwicklung zu erzielen, ist vorgesehen, daß die Abmessungen des Hilfsdurchlasses 16 und des Hauptdurchlasses 14 derart abgestimmt sind, daß die Summe ihrer Querschnittsflächen, bezogen auf die Querschnittsfläche der den Hauptbrennraum 10 um-

grenzenden Zylinderbohrung innerhalb des Bereichs von 0,8 bis 1,0% liegt und daß das prozentuale Verhältnis der Querschnittsfläche des Hilfsdurchlasses 16 zur Summe der Querschnittsflächen des Hauptdurchlasses 14 und des Hilfsdurchlasses 16 im Bereich von 10 bis 20% liegt.

Diese Beziehungen sind in Fig.6 und 7 grafisch dargestellt. Daraus ist zu ersehen, daß sich sowohl die Bildung von Stickoxiden als auch die Rauchentwicklung auf einem relativ niedrigen Niveau halten lassen, wenn die: vorstehend genannten Verhältnisse innerhalb der angegebenen Bereiche von A = 0,8 bis 1,0% und B = 10 bis 20% liegen.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

10

15

30 35 40 45 50 55 60 65

Claims

Patentansprüche:

1. Dieselmotor mit einem Hauptbrennraum, einer Wirbelkammer, die mit dem Hauptbrennraum über einen Haupt- und einen Hilfsdurchlaß verbunden ist, der bezüglich der in der Wirbelkammer herrschenden Wirbelrichtung stromauf vom Hauptdurchlaß angeordnet ist, und einem Einspritzventil, mit dem Brennstoff auf die Wand der Wirbelkammer in einer Strahlrichtung spritzbar ist, die die Wand der Wirbelkammer bezüglich der Wirbelrichtung in dieser gerade stromauf des Hilfsdurchlasses schneidet, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Hilfsdurchlaß bezüglich der Wirbelrichtung in der Wirbelkammer (12) stromauf einer Stelle liegt, an der die Brennstoff-Strahlrichtung (L) die Wand der Wirbelkammer (12) schneidet, daß der erste und zweite Hilfsdurchlaß die Form eines Paares von halbmondförmigen, ein säulenförmiges Mittelstück (24) zwischen sich begrenzenden Durchlässen (22) haben und daß die Brennstoff-Strahlrichtung (L) die Mitte des Mittelstückes schneidet

2. Dieselmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Querschnittsflächen des Haupt- und der Hilfsdurchlässe (14,16) im Bereich von 0,8 bis 1,0% der Querschnittsfläche der Zylinderbohrung liegt und daß die Querschnittsfläche des Hilfsdurchlasses (16) in einem Bereich von 10 bis 20% der Summe der Querschnittsflächen des Häuptdurchlasses und der Hilfsdurchlässe liegt.