DE3025943C2 - Self-igniting internal combustion engine with a rotationally symmetrical piston bowl - Google Patents
Self-igniting internal combustion engine with a rotationally symmetrical piston bowlInfo
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Description
a) der Durchmesser der Eintrittsöffnung (10) beträgt etwa das 0,35- bis 0,43fache des Kolbendurchmessers (19) und die Gesamttiefe (18) der Kolbenmulde (3) beträgt etwa das 0,6-bis 03fache des Durchmessers der Eintrittsöffnung (10);a) the diameter of the inlet opening (10) is about 0.35 to 0.43 times the Piston diameter (19) and the total depth (18) of the piston recess (3) is approximately 0.6 to 03 times the diameter of the inlet opening (10);
b) der Konizitätswinkel (17) der Seitenwände (5) beragt etwa 7 bis 15°;b) the angle of conicity (17) of the side walls (5) is approximately 7 to 15 °;
c) im Obergangsbereich zwischen Seitenwand (5) und Boden (6) ist ein umlaufender, im Querschnitt durch zwei etwa rechtwinklig aufeinander zulaufende Wulstflanken (8, 9) gebildeter vorspringender Ringwulst (7) vorgesehen, dessen der Eintrittsöffnung (10) zugekehrt liegende Ringwulstflanke (9) im Querschnitt etwa parallel zum Kolbenboden (2) liegt und dessen umlaufende Kante (11) parallel zum Kolbenboden (2) verläuft;c) in the transition area between the side wall (5) and the bottom (6) there is a circumferential cross-section formed by two bulge flanks (8, 9) that converge approximately at right angles protruding annular bead (7) is provided, the inlet opening (10) thereof facing Annular bead flank (9) in cross section is approximately parallel to the piston head (2) and its circumferential edge (11) runs parallel to the piston head (2);
d) der .jciale Abstand (12) der Ebene der Ringwulstflankr (9) vor- Boden (6) der Kolbenmulde (3) entspricht etwa 12 bis 33% der Gesamttiefe(18)dei Kolbenmulde(3);d) the .jciale distance (12) of the plane of the Annular bead flank (9) in front of the bottom (6) of the piston recess (3) corresponds to about 12 to 33% of the total depth (18) of the piston recess (3);
e) der Durchmesser der Ringwulstflanke (11) entspricht etwa dem 0,9- bis 1,1 fachen des Durchmessers der Eintrittsöffnung (10);e) the diameter of the annular bead flank (11) corresponds approximately to 0.9 to 1.1 times the Diameter of the inlet opening (10);
f) die dem Boden (6) der Kolbenmulde (3) zugekehrt liegende Ringwulstflanke (8) geht im Querschnitt mit einem Radius von etwa 22 bis 35% der Gesamttiefe (18) in den Boden (6) Ober und die der Eintrittsöffnung (10) zugekehrt liegende Ringwulstflanke (9) geht im Querschnitt mit einem Radius (9') von etwa 2 bis S mm in die Seitenwand (5) über;f) the annular bead flank (8) facing the bottom (6) of the piston recess (3) goes into the Cross-section with a radius of about 22 to 35% of the total depth (18) in the bottom (6) above and the annular bead flank (9) facing the inlet opening (10) is in cross section with a radius (9 ') of about 2 to 5 mm into the side wall (5);
g) die exzentrisch zur Kolbenmulde (3), jedoch noch innerhalb von deren Eintrittsöffnung (10) angeordnete Einspritzdüse (13) richtet ihre Strahlen (14, IS, 16) auf die Seitenwand (S) der Kolbenmulde (3) derart, daß die Auftreffstelle der Einsp'ftzstrahlen (14, 15, 16) axial etwa in der Mitte zwischen Ringwulstkante (H) und dem Kolbenboden (2) liegt.g) the eccentric to the piston bowl (3), but still within its inlet opening (10) arranged injection nozzle (13) directs its jets (14, IS, 16) on the side wall (S) of the Piston recess (3) in such a way that the point of impact of the injection rays (14, 15, 16) axially approximately in the middle between the annular bead edge (H) and the piston crown (2).
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Die Erfindung betrifft eine selbstzündende Brennkraftmaschine mit einer rotationssymmetrischen KoI-benmulde nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs, wie sie beispielsweise aus der DE-AS 10 32 597 als bekannt hervorgeht.The invention relates to a self-igniting internal combustion engine with a rotationally symmetrical piston bowl according to the preamble of the claim, for example from DE-AS 10 32 597 as known.
Bei der bekannten Brennkraftmaschine arbeitet die Einspritzdüse mit einem breitgefächerten Strahl, dessen Strahlkegel in Richtung der Einspritzdüsenachse verläuft. Er trifft in freier Luft den Rand der Kolbenmulde, so daß nur ein Teil des Kraftstoffstrahls in die Kolbenmulde gelangt Die DE-OS 26 52 662 zeigt eine ähnliche Kolbenmulde, die jedoch nicht rotationssymmetrisch ist, sondern bei denen die Seitenwände der Kolbenmulde durch Teilstücke der Mantelflächen von vier verschiedenen gedachten an den Ecken eines Quadrats angeordneten Kegeln gebildet sind, die unter b) und g) genannten Merkmale werden bei dieser Kolbenmulde zumindest teilweise erfüllt Die vier Finspritzstrahlen der Einspritzdüse sind auf die Überschneidungsstellen der vier verschiedenen Kegelmantelflächen gerichtet Diese Literaturstelle bestätigt die Erfahrungen der Praxis, daß bereits kleinste Veränderungen in der Form der Kolbenmulde tiefgreifende Wirkungen auf die Eigenschaften der Brennkraftmaschine haben können.In the known internal combustion engine, the injection nozzle works with a wide-spread jet, whose Jet cone runs in the direction of the injector axis. In the open air it hits the edge of the piston bowl, so that only part of the fuel jet gets into the piston bowl. DE-OS 26 52 662 shows a Similar piston bowl, which is not rotationally symmetrical, but in which the side walls of the Piston recess through sections of the lateral surfaces of four different imaginary ones at the corners of one Square-arranged cones are formed, the features mentioned under b) and g) are in this Piston recess at least partially fulfilled The four spray jets of the injection nozzle are on the Points of intersection of the four different conical surfaces directed This literature reference confirms Experience in practice shows that even the smallest changes in the shape of the piston bowl are profound Can have effects on the properties of the internal combustion engine.
Die GB-PS 12 49 519 zeigt bei einer selbstzündenden Brennkraftmaschine eine rotationssymmetrische Kolbenmulde mit einer konischen, sich jedoch nach außen erweiternden Seitenwand, wobei im Obergangsbereich zwischen Seitenwand und Boden ein podestartiger Ringwulst mit abgerundeten Ranken angeordnet ist Die Einspritzdüse ist stark exzentrisch im Randbereich der Emtrittsöffnung angeordnet; die beiden Einspritzstrahlen treffen die Seitenwand an diametral gegenüberliegenden Stellen, wobei durch den Drall in der Kolbenmulde der eingespritzte Kraftstoff in Umfangsrichtung an der Seitenwandung der Kolbenmulde verteilt wird. Nur in den Bildern sind auch Merkmale gemäß b), c) und d) dargestelltGB-PS 12 49 519 shows a rotationally symmetrical piston bowl in a compression-ignition internal combustion engine with a conical, but outwardly widening side wall, in the transition area Between the side wall and the floor there is a platform-like ring bead with rounded tendrils The injection nozzle is arranged strongly eccentrically in the edge area of the inlet opening; the two injection jets meet the side wall at diametrically opposite points, with the twist in the Piston recess the injected fuel in the circumferential direction on the side wall of the piston recess is distributed. Features according to b), c) and d) are only shown in the pictures
In der DD-Z Kraftfahrzeugtechnik, 1980. Seite 127, wird kursorisch über systematische Untersuchungen und Optimierungen an Kolbenmulden berichtet wobei im wesentlichen konische nach außen sich verjüngende Kolbenmulden mit großen Obergangsradius zwischen Seitenwand und Boden untersucht wurden. Abwandlungen wurden hinsichtlich des Konizitätswinkels, des Obergangsradius, des Durchmessers der Eintrittsöffnung, der Muldentiefe und der Querschnittsform der Randkante der Eintrittsöffnung vorgenommen. Es wurden auch Kolbenmuiden hii: auf den Boden angeordneten kegelförmigen Vorsprüngen untersucht. Ferner erwähnt die Literaturnotiz drei verschiedene Optimalformen, die sich hinsichtlich Stickoxydemission, Abgastrübung und Kraftstoffverbrauch als optimal herausgestellt haben sollen. Danach muß der Fachmann davon ausgehen, daß nur relativ flachbauende Kolbenmulden mit starker Konizität und guter Bodenverrundung ohne Bodenschikanen gut seien.In the DD-Z motor vehicle technology, 1980. page 127, systematic investigations and optimizations of piston bowls are briefly reported, whereby substantially conical outwardly tapering piston bowls with a large transition radius between Side wall and floor were examined. Modifications were made with regard to the taper angle, des Transition radius, the diameter of the inlet opening, the trough depth and the cross-sectional shape of the Marginal edge of the inlet opening made. There were also piston muiden hii: on the floor arranged conical projections examined. Furthermore, the literature note mentions three different ones Optimal forms that prove to be optimal in terms of nitrogen oxide emissions, exhaust gas opacity and fuel consumption should have turned out. After that, the person skilled in the art must assume that only relatively flat piston bowls with a strong conicity and good bottom rounding without bottom baffles are good.
Es ist eine we'tere Ausführung einer Kolbenmulde mit trapezförmigem Querschnitt bekannt (DE-PS 8 64 475), die sich in Längsrichtung der Strahlachse erstreckt und bei der die Einspritzdüse so weit herangeführt ist. daß sie innerhalb des Halses der Brennraummulde liegt, wobei die Einsp-itzung auch fächerförmig mittels einer Mehrlocheinspritzdüse erfolgen kann. Darüber hinaus sind Kolbenmulden von kugelartiger, zylindrischer oder hyperboloidförmiger Gestalt bekannt.It is another version of a piston bowl with a trapezoidal cross-section known (DE-PS 8 64 475), which extends in the longitudinal direction of the beam axis extends and in which the injection nozzle is brought so far. that they are within the neck of the Combustion bowl is located, the injection also taking place in a fan shape by means of a multi-hole injection nozzle can. In addition, piston bowls are spherical, cylindrical or hyperboloid-shaped Shape known.
Bei Brennkraftmaschine der hier zugrunde gelegten Art wird meist eine Drallbewegung der eingeströmten und komprimierten Luft durch bekannte Maßnahmen erzeugt; die Kraftstoffeinspritzung erfolgt aufgrund geeigneter Wahl der Düsenlage und Strahlrichtung in Richtung der Luftbewegung.In the case of an internal combustion engine, the one used here as a basis Art is mostly a swirl movement of the inflowing and compressed air by known measures generated; the fuel injection takes place due to a suitable choice of the nozzle position and jet direction in Direction of air movement.
Alle die bekannten Ausgestaltungen von Kolbenmulden haben den Nachteil, daß sie hinsichtlich der Abgas- und Geräuschemission nicht befriedigen. Die Ursache hierfür liegt darin, daß einerseits zwar durch Wandbe-All the known designs of piston recesses have the disadvantage that they are in terms of exhaust gas and noise emissions are not satisfactory. The reason for this is that, on the one hand, through wall
nettung ein mehr otr-r weniger guter, a\ h. geräuscharmer Verbrennungsablauf erzielt wird, andererseits aber der noch nicht verbrannte Kraftstoff den relativ kalten Rand und Boden der Kolbenmulde erreicht, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen wie z. B. im Leerlauf oder bei mittleren Drehzahlen bei HalbJastbetrieb, und dort vor allem im Zentrum des Wirbels unzureichend mit Verbrennungsluft vermischt wird und deshalb nur unvollkommen verbrennt Die schlechte Verbrennung des am Muldenboden haftenden Kraftstoffes wird jo zusätzlich noch durch die expansionsbedingte Abkühlung negativ beeinflußtnicening a more otr-r less good, a \ h. quieter Combustion process is achieved, but on the other hand the not yet burned fuel the relatively cold Edge and bottom of the piston recess reached, especially at low speeds such. B. idle or at medium speeds in half-load operation, and there especially inadequate in the center of the vortex Combustion air is mixed and therefore only burns imperfectly Bad combustion of the fuel adhering to the bottom of the trough is jo additionally negatively influenced by the cooling caused by expansion
Aufgabe der Erfindung ist es, die Kolbenmulde so auszugestalten, daß bei gutem Wirkungsgrad eine geringe Abgas- und Geräuschemission erzielt wirdThe object of the invention is to design the piston bowl so that with good efficiency a low exhaust gas and noise emissions are achieved
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs gelöst According to the invention, this object is achieved by the characterizing features of the patent claim
Hierdttith wird erreicht, daß insbesondere bei zunächst verhalten und luftverteilt erfolgter Einspritzung die Kraftstoffteilchen vom Wirbel aufgefangen und mit der Verbrennungsluft gut vermischt werden. Nach Ablauf der Zflndverzugszeit und voller Einspritzung in der zweiten Phase benetzen die vollen Kraftstoffstrahlen die Seitenwände und bilden einen Film, der infoige der kinetischen Energie und der geneigten Seitenwandung in Richtung des Bodens der Kolbenmulde abfließt Während dieses Abfließens erfolgt durch Verwirbelung eine fortlaufende Vermischung mit der Verbrennungsluft bis schließlich der M Ringwulst erreicht ist und der restliche Kraftstoffilm Ober die heiße und spitz vorspringende Ringwulstkante verdampft abreißt und vollkommen verwirbelt wird, ohne daß Kraftstoffteilchen den eigentlichen Boden der Kolbenmulde benetzen. Dadurch wird neben einem guten Wirkungsgrad durch eine nahezu vollkommene Verbrennung eine hohe Leistungsausbeute bei maximaler Ausnutzung der Luftladung sichergestellt und somit die Abgas- und Geräuschemission auf ein Minimum gesenktThis means that, particularly when the injection is initially cautious and air-distributed, the fuel particles are caught by the vortex and mixed well with the combustion air. After the ignition delay time has elapsed and full injection in the second phase, the full fuel jets wet the side walls and form a film that flows off the kinetic energy and the inclined side wall in the direction of the bottom of the piston bowl until finally the M annular bead is reached and the remaining fuel film above the hot and pointedly protruding annular bead edge evaporates and is completely swirled without fuel particles wetting the actual bottom of the piston recess. As a result, in addition to a high degree of efficiency through almost perfect combustion, a high power output with maximum utilization of the air charge is ensured and thus the exhaust gas and noise emissions are reduced to a minimum
Bei der in dieser Hinsicht optimierten Kolbenmulde ist die Spitze des Ringwulstquerschnitts durch zwei etwa rechtwinklig aufeinander zulaufende Wulstflanken gebildet wobei die der Eintrittsöffnung zugekehrt liegende Ringwulstflanke im Querschnitt etwa parallel zum Kolbenboden liegen und mit einem Radius von etwa 2 bis 5 mm in die Seitenwand Obergeh». Dadurch wird ein gutes Abfließen der Wandbenetzung zur Ringwulstkante und ein sicheres Abreißen des Kraftstoffümes an der heißen Kante des Ringwulstes erreicht, so Außerdem verläuft die unlaufende Kante des Ringwulstes in e>ner Ebene parallel zum Kolbenboden, wobei der axiale Abstand der Ebene der Ring wulstflanke vom Boden der Kolbenmulde etwa 12 bis 33% der Gesamtliefe der Kolbenmulde entspricht. Dadurch erfolgt das Abreißen des restlichen Kraftstoffilmes über den gesamten Umfang und der gleichen Strömungsverhältnisse. Um ein sicheres Abreißen des restlichen Krafistoffilmes an der Ringwulstkante durch Turbulenz zu gewährleisten, ist der Durchmesser der Ringwulstkante zu etwa dem 0,9- bis 1,1 fachen des Durchmessers der Eintrittsöffnung gewählt, was etwa dem 038- bis 0,4fachen des Kolbendurchmessers entspricht Die axiale Lage der Auftreffstelle der Einspritzstrahlen auf die Seitenwand hat ebenfalls einen gewissen Einfluß auf den Verbrennungsablauf. Darüber hinaus ist die Einspritzdüse in an sich bekannter Weise exzentrisch zur Kolbenmulde, jedoch noch innerhalb von deren Eintrittsöffnung angeordnet Der Konizitätswinkel der Seitenwände beträgt etwa 7 bis 15°. Bei größerem Konizitätswinkel verringert sich der Drall; dies ist jedoch für eine gute Luft-Kraftstoff-Vermischung nachteilig.In the piston bowl, which has been optimized in this regard, the tip of the annular bead cross-section is approximately through two Formed bead flanks converging at right angles, which face the inlet opening lying annular bead flank in cross section are approximately parallel to the piston crown and with a radius of about 2 to 5 mm into the upper side wall ». Through this a good drainage of the wall wetting to the edge of the annular bead and a reliable tear-off of the fuel film reached at the hot edge of the annular bead, so In addition, the non-running edge of the annular bead runs in a plane parallel to the piston crown, with the axial distance of the plane of the ring bead flank from the bottom of the piston bowl is about 12 to 33% of the Total run corresponds to the piston recess. This causes the remaining fuel film to be torn off the entire circumference and the same flow conditions. To safely tear off the rest Krafistoffilmes on the edge of the annular bulge due to turbulence To ensure that the diameter of the annular bulge edge is approximately 0.9 to 1.1 times the diameter of the inlet opening, which corresponds to approximately 038 to 0.4 times the piston diameter axial position of the point of impact of the injection jets on the side wall also has a certain influence on the combustion process. In addition, the injection nozzle is eccentric in a manner known per se to the piston bowl, but still arranged within its inlet opening Side walls is about 7 to 15 °. With a larger angle of conicity, the twist is reduced; This is however, disadvantageous for good air-fuel mixing.
Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigtThe invention is to be explained in more detail on the basis of an exemplary embodiment shown in the drawing will. It shows
F i g. 1 einen Ausschnitt eines Kolbenbodens mit einer Anordnung der Einspritzdüse im Zylinderkopf undF i g. 1 shows a section of a piston head with a Arrangement of the injection nozzle in the cylinder head and
F i g. 2 eine Anordnung von Kolben und Einspritzdüse im Grundrib.F i g. 2 shows an arrangement of piston and injection nozzle in the base rib.
Der in den Figuren dargestellte wölben 1 weist in seinem Kolbenboden 2 eine rotationsA-ymmetrische Kolbenmulde 3 auf, die aus einem zylindrischen Hals 4 und den sich anschließenden konischen Seitenwänden 5 gebildet wird, wobei zwischen Seitenwand 5 und Boden 6 ein un.iaufender, im Querschnitt spitz vorspringender Ringwulst 7 vorgesehen istThe arch 1 shown in the figures has in its piston head 2 a rotational a-ymmetric Piston bowl 3, which consists of a cylindrical neck 4 and the adjoining conical side walls 5 is formed, with a un.iaufender, pointedly projecting cross-section between the side wall 5 and the bottom 6 Annular bead 7 is provided
Der Ringwulst 7 wird durch zwei etwa rechtwinklig aufeinander zulaufende Ringwulstflarken 8,9 gebildet Die der Eintrittsöffnung 10 zugekehrt liegende Ringwulstflanke 9 liegt im Querschnitt etwa parallel zum Kolbenboden 2 und geht mit einem Radius 9" von etwa 2-5 mm in die Seitenwand 5 über. Die umlaufende Kante 11 des Ringwulstes 7 verläuft hierbei in einer Ebene parallel zum Boden 6 der Kolbenmulde 3. Der axiale Abstand 12 der Ebene der Ringwulstflanke 9 vom Boden 6 beträgt etwa 12-33% der Gesamttiefe 18 der Kolbenmulde 3. Der Durchmesser der Ringwulstkante 11 ist etwa dem 0,9- bis 1,1 fachen Durchmesst*- der Eintrittsöffnung 10 angepaßt wobei der Durchmesser der Eintrittsöffnung etwa 038-0,4 des Kolbendurchmessers 19 istThe annular bead 7 is formed by two annular bead flares 8, 9 which converge approximately at right angles to one another The annular bead flank 9 facing the inlet opening 10 is approximately parallel to the cross section Piston head 2 and merges with the side wall 5 with a radius 9 ″ of approximately 2-5 mm Edge 11 of the annular bead 7 runs in a plane parallel to the bottom 6 of the piston recess 3. The axial distance 12 of the plane of the annular bead flank 9 from Bottom 6 is approximately 12-33% of the total depth 18 of the piston bowl 3. The diameter of the annular bead edge 11 is about 0.9 to 1.1 times the diameter * the Inlet opening 10 adapted with the diameter of the inlet opening about 038-0.4 of the piston diameter 19 is
Der Boden 6 der Kolbenmulde 3 geht mit einem Radius von etwa 20 — 35% der Gesamttiefe 18 in die Ringwulstflanke 8 über.The bottom 6 of the piston recess 3 extends with a radius of about 20-35% of the total depth 18 into the Annular bead flank 8 across.
Der Kolbenmulde 3 wird eine Einspritzdüse 13 zugeordnet, deren Strahl(en) 14, 15, 16 alle auf die Seitenwand 5 der Kolbenmulde 3 gerichtet ist bzw. sind, und etwa axial in der Mitte zwischen der Ringwulstkante 11 und dem Kolbenboden 2 auftreffen. Die Einspritzdüse 13 rst in an sich bekannter Weise exzentrisch zur Kolbenmulde 3, jedoch noch innerhalb deren Eintrittsöffnung 13, angeordnet Zur Erhaltung du Dalies ist der Konizitätswinkel 17 der Seitenwände 5 in den Grenzen von 7 bis 15" zu halten. Die Gesamthöhe 18 beträgt hierbei das 0,6- bis O.t/ache des Durchmessers der Eintrittsöffnung 10.The piston recess 3 is assigned an injection nozzle 13, the jet (s) 14, 15, 16 of which all point to the Side wall 5 of the piston bowl 3 is or are directed, and approximately axially in the middle between the annular bead edge 11 and the piston crown 2 impinge. The injection nozzle 13 rst in a manner known per se eccentric to the piston bowl 3, but still within its inlet opening 13, arranged for preservation du Dalies is the taper angle 17 of the side walls 5 to be kept within the limits of 7 to 15 ". The total height 18 is between 0.6 and 0.t / ache des Diameter of the inlet opening 10.
Claims (1)
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