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DE3877652T2 - Verbrennungskammer fuer dieselbrennkraftmaschinen. - Google Patents

Verbrennungskammer fuer dieselbrennkraftmaschinen.

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Publication number
DE3877652T2
DE3877652T2 DE8888307354T DE3877652T DE3877652T2 DE 3877652 T2 DE3877652 T2 DE 3877652T2 DE 8888307354 T DE8888307354 T DE 8888307354T DE 3877652 T DE3877652 T DE 3877652T DE 3877652 T2 DE3877652 T2 DE 3877652T2
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DE
Germany
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combustion chamber
heat
resistant material
chamber according
fuel
Prior art date
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DE8888307354T
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Hiroshi Iokawa
Minoru Matsui
Naohisa Nakajima
Tadao Ozawa
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NGK Insulators Ltd
Mitsubishi Motors Corp
Original Assignee
NGK Insulators Ltd
Mitsubishi Motors Corp
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Publication date
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungskammer für Dieselbrennkraftmaschinen.
  • Es wurden bereits verschiedene Vorschläge für Dieselbrennkraftmaschinen gemacht, die auf die Erzielung eines verbesserten Brennstoffverbrauchs, einer verbesserten Brennstoffeinspritzung, einer gesteigerten Ausgangsleistung sowie auf eine Reinigung der Abgase gerichtet sind. Diese Vorschläge umfassen unter anderem die Anordnung einer Verbrennungskammer, in die der Brennstoff von einer Einspritzdüse eingespritzt wird, und bei der zumindest die Brennstoffaufprallfläche, d.h. derjenige Bereich der Innenwand der Verbrennungskammer, auf den der Brennstoff aufgespritzt wird, aus einem Keramikmaterial oder einem ähnlichen hitzefesten Material gebildet ist, um die Betriebstemperatur des Motors zu erhöhen.
  • Bei Dieselbrennkraftmaschinen, bei denen der Brennstoff gegen die Innenwand der Verbrennungskammer eingespritzt wird, ist es insbesondere bekannt, für die Ausbildung der Brennstoffaufprallfläche einer solchen Innenwand ein hitzefestes Material zu verwenden.
  • Für Dieselbrennkraftmaschinen, die einen mit einem Hohlraum versehenen Kolbenbodenbereich haben, in den der Brennstoff eingespritzt wird, ist es in ähnlicher Weise auch bekannt, ein hitzefestes Material zu verwendet, uni zumindest einen Teil der Brennstoffaufprallfläche des Hohlraums zu bilden. Ein solcher Stand der Technik ist beispielsweise in den offengelegten japanischen Gebrauchsmusterveröffentlichungen 59-58 735, 59-111 918, 60-178 345 und 61-105 721 offenbart.
  • Wegen der nachfolgend genannten technischen Schwierigkeiten hat sich jedoch keiner der vorstehend genannten Vorschläge in der Praxis als zufriedenstellend erwiesen.
  • Wegen der Verwendung eines hitzefesten Materials für die Ausbildung der Brennstoffaufprallfläche der Innenwand der Verbrennungskammer wird diese Fläche zunächst einmal im Betrieb des Motors auf einer beträchtlich hohen Temperatur gehalten. Die Verbrennung des Brennstoffs beginnt daher verfrüht, sobald der eingespritzte Brennstoff auf die Brennstoffaufprallfläche auftrifft, so daß der Verbrennungsbereich der Kammer übermäßig erhitzt wird, was zu gesteigerten NOx Emissionen im Abgas führt. Diese Probleme sind schwerwiegender, wenn das hitzefeste Material benutzt wird, um zumindest die Brennstoffaufprallfläche an der Innenwand des Hohlraums im Kolbenboden zu bilden, dessen Volumen sehr klein ist und der demzufolge noch bedeutender erhitzt wird.
  • Zweitens ist die bei der Anordnung nach dem Stand der Technik erzielbare Zündverzögerungsdauer erheblich verkürzt, so daß es schwierig wird, eine geeignete Vermischung des eingespritzten Brennstoffstrahls mit Sauerstoff zu erzielen. Dies führt zu einer unerwünschten Verschlechterung der ursprünglichen Verbrennungseigenschaft und demzufolge zu einer verringerten Leistungsabgabe sowie zu einem vergrößerten Brennstoffverbrauch des Motors.
  • Die DE-A-24 39 806 offenbart eine Ausbildung einer Verbrennungskammer für eine Dieselbrennkraftmaschine, bei der die Unterseite des Zylinderkopfes durch eine Platte aus einem hitzefesten Material wärmeisoliert ist, um in der Kammer eine gewünschte Temperaturverteilung aufrechtzuerhalten, und eine Luftschicht ist zwischen der Platte und dem Zylinderkopf vorgesehen.
  • Es ist demzufolge eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbrennungskammer für Dieselbrennkraftmaschinen zu schaffen, die es ermöglicht, die vorstehend genannten Nachteile des Standes der Technik zu mindern, die NOx Emissionen im Abgas auf ein Mindestmaß zu verringern und eine gesteigerte Lelstungsabgabe und einen verringerten Brennstoffverbrauch zu erzielen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Verbrennungskammer für Dieselbrennkraftmaschinen geschaffen, wie sie im Anspruch 1 angegeben ist.
  • Mit dem hier verwendeten Ausdruck "Verbrennungskammer" wird ein geschlossener Hohlraum bezeichnet, der innerhalb des Zylinders durch Wandflächen zwischen dem Zylinderkopf und dem oberen Kolbenring im oberen Totpunkt des Kolbens begrenzt ist, einschließlich der Innenfläche der Zylinderbuchse, der Außenfläche des Kolbens und der Unterseite des den geschlossenen Hohlraum umgebenden Zylinderkopfes. Mit dem verwendeten Begriff "Innenwand der Verbrennungskammer" werden die den geschlossenen Raum der Verbrennungskammer umgebenden Wände bezeichnet. Die Verbrennungskammer umfaßt hier nicht die Flächen der Einlaß- und Auslaßventile, die Ventilsitze sowie die Brennstoffeinspritzdüsen. Diese Elemente werden üblicherweise so ausgebildet, daß sie eine ausreichende Hitzefestigkeit haben, sie können aber erforderlichenfalls aus einem Keramikmaterial oder einem ähnlich hitzefesten Material hergestellt sein.
  • Bei der vorstehenden Anordnung der vorliegenden Erfindung wird die Brennstoffaufprallfläche aus einem metallischen Material, wie z.B. eine Aluminiumlegierung oder Gußeisen mit einer ausgezeichneten Wärmeleitfähigkeit gebildet, und demzufolge wird im Vergleich zur Verwendung eines hitzefesten Materials mit verhältnismäßig schlechter Wärmeleitfähgkeit eine relativ geringe Temperatur beibehalten. Demzufolge kann ein größerer Teil der durch die Verbrennung des Brennstoffs erzeugten Wärme durch das metallische Material der Brennstoffaufprallfläche wirksam an verschiedene die Verbrennungskammer umgebende innere Konstruktionselemente des Motors abgeleitet werden. Infolgedessen kann der die Brennstoffaufprallfläche innerhalb der Kammer umgebende Verbrennungsbereich auf einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur gehalten werden, was es ermöglicht, den unerwünschten NOx Emissionsanteil im Abgas beträchtlich zu verringern.
  • Mit der vorstehend erwähnten Anordnung der vorliegenden Erfindung wird ferner eine angemessene Zündverzögerungsdauer beibehalten, in der der Brennstoff wirksam mit Sauerstoff vermischt werden kann, wodurch eine angemessene Anfangsverbrennung verwirklicht werden kann. Da ein hitzebeständiges Material benutzt wird, um zumindest einen Teil der Restfläche der Innenwand der Verbrennungskammer zu bilden, d.h. denjenigen Bereich, auf den der eingespritzte Brennstoff nicht auftrifft, wird es außerdem möglich, diese Restfläche während des Betriebs des Motors auf einer verhältnismäßig hohen Temperatur zu halten. Demzufolge kann eine angemessene Hauptverbrennung in einer verkürzten Zeitdauer durchgeführt werden im Vergleich zu der bei der herkömmlichen Anordnung erreichten Hauptverbrennung, was zu einer Steigerung der Leistung und einer Verringerung des Brennstoffverbrauchs des Motors führt.
  • In herkömmlichen Dieselbrennkraftmaschinen, bei denen kein hitzefestes Material zur Ausbildung der Innenwand der Verbrennungskammer, mit Ausnahme der Brennstoffaufprallfläche und/oder des Kolbenbodens verwendet wird, ist die Höchsttemperatur der Innenwand der Verbrennungskammer im Vollastbereich des Motors auf ungefähr 400ºC begrenzt. Im Gegensatz dazu ermöglicht die Verwendung des hitzefesten Materials für eine solche Innenwand der Verbrennungskammer gemäß der vorliegenden Erfindung eine Erhöhung der Höchsttemperatur der Innenwand auf mindestens 450ºC, um dadurch die vorstehend genannten Verbesserungen zu erzielen. Durch Anheben der Höchsttemperatur der Innenwand der Verbrennungskammer auf einen bevorzugten Bereich von 500ºC oder mehr und auf einen noch bevorzugteren Bereich von 550ºC oder mehr können die vor stehend erwähnten Verbesserungen sogar noch ausgeprägter erreicht werden.
  • Die Verbrennungskammer gemäß der vorliegenden Erfindung kann in vorteilhafter Weise sowohl an aufgeladenen Dieselbrennkraftmaschinen als auch bei selbstansaugenden Dieselbrennkraftmaschinen angewendet werden. Die mit der vorliegenden Erfindung erzielbaren Vorteile sind bei selbstansaugenden Dieselbrennkraftmaschinen sogar noch ausgeprägter, bei denen eine kleinere angesaugte Luftmenge für die gleiche eingespritzte Brennstoffmenge zur Verfügung steht, so daß die Ansaugluft wirkungsvoller ausgenutzt werden muß.
  • Wie dies vorstehend erwähnt wurde, umfaßt die Innenwand der Verbrennungskammer für Dieselbrennkraftmaschinen eine Brennstoffaufprallfläche, die im wesentlichen aus einem metallischen Material besteht. Ein solches metallisches Material kann eine Aluminiumlegierung, Gußeisen oder Stahl sein.
  • Das hitzefeste Material, das für die Restfläche der Innenwand der Verbrennungskammer benutzt wird, kann ein hitzebeständiges Metall, ein Keramikmaterial mit wärmeisolierenden Eigenschaften oder eine Kombination hiervon sein.
  • In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß das hitzebeständige Metall eine Superlegierung auf Nickel- oder Kobaltbasis, rostfreier Stahl, hitzefestes Gußeisen und eine Kombination hiervon sein kann.
  • Auf der anderen Seite kann das verwendete Keramikmaterial in Form eines gesinterten Keramikkörpers, einer keramischen Beschichtung oder in einer Kombination hiervon vorliegen. Der gesinterte Keramikkörper kann aus Siliziumnitrid, Sialon, teilweise stabilisierter Zirkonerde, Mullit, Aluminiumoxid, Siliziumcarbid oder einem Gemisch hiervon bestehen. Die keramische Beschichtung ihrerseits kann aus Zirkonerde, Chromoxid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid, Mullit, Tonerde, Sialon oder einem Gemisch hiervon bestehen, und sie kann durch verschiedene Verfahren, wie z.B. Flammsprühen, Plattieren, einem CVD Verfahren oder einem PVD Verfahren hergestellt sein.
  • Wenn die keramische Beschichtung benutzt wird, dann sollte die Beschichtung eine ausreichende Dicke haben, damit die Innenwand der Verbrennungskammer auf eine so hohe Temperatur erhitzt werden kann, daß die mit der vorliegenden Erfindung erzielbare Verbesserung deutlich in Erscheinung tritt. Eine Keramikschicht von gesteigerter Dicke leidet aber häufig an einer Neigung, daß eine Wärmeverformung oder Wärmebelastung, der die Beschichtung ausgesetzt ist, zur Ausbildung von Rissen in der Schicht oder zu einer Ablösung der Schicht führt, und es ist deshalb eine besondere Aufmerksamkeit erforderlich, um diese Probleme zu vermeiden.
  • Die vorliegende Erfindung kann in vorteilhafter Weise bei einer Dieselbrennkraftmaschine angewendet werden, deren Kolbenboden mit einem Hohlraum versehen ist, derart, daß zumindest ein Teil der Brennstoffaufprallfläche der Innenwand des Hohlraums oder die gesamte Innenwand des Hohlraums aus einem metallischen Material hergestellt ist. Dadurch kann der die Brennstoffaufprallfläche umgebende Verbrennungsbereich im Betrieb des Motors auf einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur gehalten werden, was nicht nur dazu dient, die NOx Emission zu verringern, sondern auch eine Leistungssteigerung und einen verringerten Brennstoffverbrauch des Motors bewirkt, die beide durch eine geeignete Zündverzögerungsdauer und die sich daraus ergebende angemessene Initialverbrennung erreicht werden.
  • In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß die verbesserte Verbrennung des Brennstoffs vermutlich auf der Verwendung einer vergrößerten Sauerstoffmenge für die Verbrennung beruht. D.h., der Verbrennungsbereich nahe der Innenwand des Hohlraums wird während des Betriebs des Motors wie vorstehend erwähnt auf einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur gehalten, was einer verhältnismäßig hohen Dichte der angesaugten Luft und demzufolge einer verhältnismäßig hohen Dichte des Sauerstoffs entspricht. Auch hat die Verwendung des hitzefesten Materials zur Ausbildung mindestens eines Teils der Unterseite des Zylinderkopfes und/oder zumindest eines Teils der Oberseite des Kolbenbodens zur Folge, daß die Innenwand der Verbrennungskammer mit Ausnahme der Wand des Hohlraums während des Betriebs des Motors auf einer höheren Temperatur gehalten wird im Vergleich zu der verhältnismäßig niedrigen Temperatur der Wand des Hohlraums. Demzufolge hat die eingesaugte Luft im Inneren der Verbrennungskammer, ausgenommen den Hohlraum, eine verhältnismäßig geringe Dichte im Vergleich zu dem Hohlraum, was bedeutet, daß die angesaugte Luft im Hohlraum eine verhältnismäßig große Dichte im Vergleich zum Rest der Verbrennungskammer hat.
  • Darüberhinaus führt die Verwendung eines hitzefesten Materials für die Ausbildung mindestens eines Teils der Unterseite des Zylinderkopfes und/oder mindestens eines Teils der Oberseite des Kolbenbodens zu einer verbesserten Verbrennung des Brennstoffs nach der Zündung, weil die Innenwand der Verbrennungskammer, ausgenommen die Innenwand des Hohlraums, im Vergleich zur Verwendung eines herkömmlichen metallischen Materials auf einer verhältnismäßig hohen Temperatur gehalten werden kann. Dies trägt ebenfalls zur Erzielung einer Leistungssteigerung, einer Verringerung der Verbrennungsdauer, einer Verbesserung des Brennstoffverbrauchs sowie zu einer Reinigung der Abgase bei.
  • Darüberhinaus wird das hitzefeste Material vorzugsweise zur Ausbidlung mindestens eines Teils der Innenfläche der Zylinderbuchse und/oder mindestens eines Teils der äußeren Umfangsfläche des Kolbenbodens benutzt, um dadurch die Hitzefestigkeit der Innenwand der Verbrennungskammer zu verbessern. Dadurch wird es möglich, die Innenwand der Verbrennungskammer während des Betriebs des Motors auf einer noch höheren Temperatur zu halten und die Leistungsabgabe, den Brennstoffverbrauch sowie die Reinigung der Abgase noch weiter zu verbessern.
  • Vorzugsweise bildet das hitzefeste Material zumindest einen Teil der Innenfläche der Zylinderbuchse, und es erstreckt sich vom oberen Ende der Zylinderbuchse über eine axiale Länge von 5 mm oder mehr. Eine solche Begrenzung des hitzefesten Materials beruht auf der Überlegung, daß bei einer axialen Länge von weniger als 5 mm desjenigen Bereichs der Innenfläche der Zylinderbuchse, der aus dem hitzefesten Material gebildet ist, die Innenwand der Verbrennungskammer während des Betriebs des Motors nicht auf einer erhöhten Temperatur gehalten werden kann, und daß es schwierig wird, den Brennstoffverbrauch nennenswert zu verbessern und eine beachtliche Reinigung der Abgase zu erzielen.
  • In der jüngeren Vergangenheit spielt das Oberflächenverhältnis des Bereichs aus hitzefestem Material gegenüber der Innenwand der Verbrennungskammer, d.h. das Verhältnis der Fläche des hitzefesten Materials gegenüber der Gesamtfläche der Kammer, ausgenommen den Hohlraum und/oder die Brennstoffaufprallfläche, eine wichtige Rolle. D.h., ein größeres Oberflächenverhältnis des Bereichs aus hitzefestem Material führt zu einer noch weiter verbesserten Hitzefestigkeit der Verbrennungskammer, wodurch die Kammer während des Betriebs des Motors auf einer verhältnismäßig hohen Temperatur gehalten werden kann. Dadurch ist es möglich, die gesteigerte Ausgangsleistung, den verringerten Brennstoffverbrauch, sowie die verbesserte Abgasreinigung zu erzielen. Das Oberflächenverhältnis des hitzefesten Materials beträgt mindestens 40%, vorzugsweise mindestens 70%. Für eine solche Anordnung kann die gesamte innenwand des Hohlraums auch aus einem metallischen Material hergestellt sein, oder die Innenwand des Hohlraums, ausgenommen die Brennstoffaufprallfläche, kann zumindest teilweise von einem hitzefesten Material gebildet sein.
  • Die oben genannte Beschränkung des Oberflächenverhältnisses des wärmefesten Materials beruht auf folgenden Überlegungen. Ein Oberflächenverhältnis unter 20% verbessert die Hitzefestigkeit der Verbrennungskammer nicht wesentlich, erlaubt es nicht, die Innenwand der Verbrennungskammer während des Betriebs des Motors auf einer höheren Temperatur zu halten und erbringt keine ausreichende Verbesserung des Brennstoffverbrauchs und der Abgasreinigung. Wie aus den nachfolgend erläuterten Beispielen hervorgeht, ermöglicht andererseits ein Oberflächenverhältnis von 40% oder mehr eine ausreichende Verbesserung des Brennstoffverbrauchs und der Abgasreinigung, und eine noch beachtlichere Verbesserung kann in dem Fall erreicht werden, wo das Oberflächenverhältnis 70% oder mehr beträgt infolge der dadurch bewirkten Verbesserung der Hitzefestigkeit und einer wesentlich höheren Temperatur der Innenwand der Verbrennungskammer im Betriebszustand.
  • Die hitzefeste Materialschicht, die einen Teil der Innenwand der Verbrennungskammer an der Unterseite des Zylinderkopfes bildet, weist einen gesinterten Keramikkörper aus teilweise stabilisierter Zirkonerde auf, der zwischen der Verbrennungskammer und der Unterseite des Zylinderkopfes angeordnet ist. Ein solcher hitzeisolierender Körper verhindert Wärmeverluste infolge eines Wärmeübergangs von der Innenwand der Verbrennungskammer noch wirkungsvoller und hält die Verbrennungskammer im Betrieb des Motors auf einer höheren Temperatur, um dadurch eine weitere Verbesserung des Brennstoffverbrauchs des Motors sowie der Abgasreinigung zu erzielen.
  • Fig. 1 ist ein Querschnitt einer Verbrennungskammer für Dieselbrennkraftmaschinen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
  • Fig. 2A bis 2E sind graphische Darstellungen, die verschiedene Eigenschaften der erfindungsgemäßen Verbrennungskammer zeigen.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den beigefühten Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • In Fig. 1 ist eine Ausführungsform der Verbrennungskammer gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, die bei einer Dieselbrennkraftmaschine mit Direkteinspritzung verwendet wird. Der Motor umfaßt einen Zylinderblock 1 aus Gußeisen und eine Zylinderbuchse 2, die gleichfalls aus Gußeisen gebildet und in den Zylinderblock 1 eingesetzt ist. Der Motor umfaßt ferner einen Kolben 11, der in der Zylinderbuchse 2 zu einer hin- und hergehenden Bewegung verschiebbar gelagert ist. Der Kolben 11 ist aus einer Aluminiumlegierung hergestellt und hat einen Kolbenboden, der mit einem Hohlraum 12 und mit mehreren Umfangsnuten zur Aufnahme von Kolbenringen 13a, 13b, 13c versehen ist, die im Betrieb des Motors mit der Innenfläche der Zylinderbuchse 2 in Gleitberührung gehalten sind. In Fig. 1 ist der Kolben 11 in seiner oberen Totpunktstellung gezeigt. Der Motor umfaßt ferner einen Zylinderkopf 21 mit Einlaß- und Auslaßventilen 22 und entsprechenden Ventilsitzen 27 sowie eine Brennstoff-Einspritzdüse 23, die alle dem Kolbenboden zugekehrt sind.
  • Die Verbrennungskammer des Motors wird in der oberen Totpunktstellung des Kolbens 11 von den Wänden in dem Zylinder zwischen dem Zylinderkopf 21 und dem oberen Kolbenring 13a begrenzt, d.h. von der Innenfläche der Zylinderlaufbuchse 2 und der Außenfläche des Kolbens 11 sowie von der Unterseite des Zylinderkopfes 21. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der gesamte Kolben 11 einschließlich derjenigen Bereiche des Hohlraums 12, auf die der von der Brennstoff-Einspritzdüse 23 eingespritzte Brennstoffstrahl 25 auftrifft, aus einer Aluminiumlegierung gebildet.
  • Bei der vorstehenden Anordnung bzw. Ausbildung der Verbrennungskammer dient die Verwendung einer Aluminiumlegierung zur Bildung der Brennstoffaufprallfläche des Hohlraums 12 in dem Zylinderkopf dazu, den Verbrennungsbereich der Brennstoffaufprallfläche vor einer übermäßigen Erhitzung zu schützen, um dadurch die NOx Emission im Abgas beträchtlich zu verringern.
  • Die Zylinderlaufbuchse 2 ist insgesamt aus Gußeisen hergestellt, und sie hat einen oberen Bereich, der mit einem gesinterten Keramikkörper aus teilweise stabilisierter Zirkonerde versehen ist. Dieser Keramikkörper 5 ist in der oberen Totpunktstellung des Kolbens 11 über dem oberen Kolbenring 13a angeordnet. Der Zylinderkopf 21 ist insgesamt aus Gußeisen hergestellt, und er hat eine Unterseite, die mit einem gesinterten Keramikkörper 24 aus Silizimnitrid bedeckt ist. Die Innenwand der Verbrennungskammer wird von der Stirnfläche des Kolbens 11 und von den Oberflächen der vorstehend erwähnten Keramikkörper 5, 24 gebildet. Außerdem ist zwischen der Unterseite des Zylinderkopfes 21 und dem gesinterten Keramikkörper 24 aus Siliziumnitrid ein gesinterter Keramikkörper 37 aus teilweise stabilisierter Zirkonerde als Wärmeisolierungsteil angeordnet, um einen Wärmeabfluß vom Zylinderkopf 21 zu verhindern.
  • Bei dieser Ausführungsform dient die Anordnung der gesinterten Keramikkörper 5, 24, 37 nicht nur dazu, die Hitzefestigkeit der Innenwand der Verbrennungskammer, mit Ausnahme der Wand des Hohlraums 12, zu verbessern, sondern auch zur Verhinderung eines Wärmeübergangs von dieser Innenwand. Die Innenwand der Verbrennungskammer, ausgenommen die Wand des Hohlraums 12, kann daher im Betrieb des Motors auf einer verhältnismäßig hohen Temperatur gehalten werden. Demzufolge können eine größere Leistungsabgabe und ein verringerter Brennstoffverbrauch des Motors sowie eine wirksame Reinigung der Abgase einschließlich einer Minimierung der MOx Emission erreicht werden.
  • Die Fig. 2A bis 2E sind graphische Darstellungen, die verschiedene Eigenschaften der Verbrennungskammer nach der Ausführungsform von Fig. 1 gegenüber zwei Arten von Vergleichsverbrennungskammern zeigen, die alle bei einem selbstansaugenden Viertakt-Dieselmotor mit Direkteinspritzung und einem Hubraum eines Zylinders von 1.850 cm³ angewendet werden. Die Verbrennungskammer nach Fig. 1 hat dabei eine Innenwand, bei der 40% der Gesamtfläche, ausgenommen die Innenwand des Hohlraums, aus Keramikteilen gebildet ist. Die erste Vergleichskammer besteht vollständig aus Metallteilen und hat genau die gleiche Raumform wie die Verbrennungskammer nach Fig. 1. Die zweite Vergleichskammer ist mit der ersten im wesentlichen identisch, ausgenommen, daß die Oberseite des Kolbens einschließlich des Hohlraums aus einem gesinterten Keramikkörper gebildet ist, bei dem es sich um Siliziumnitrid handelt. In diesen Zeichnungen sind mit einem Kreis, einem Dreieck und einem Stern diejenigen Werte bezeichnet, die mit der ersten Vergleichskammer der Kammer gemäß der vorliegenden Erfindung und mit der zweiten Vergleichskammer erhalten werden.
  • Genauer gesagt zeigen die Fig. 2A bis 2C verschiedene Werte der Verbrennungseigenschaften jedes Motors bei Nenndrehzahl, wobei die im Vollastbetrieb eingespritzte Brennstoffmenge mit 100% dargestellt ist. Die gezeigten Meßwerte sind als der unterschied gegenüber den mit der ersten Vergleichskammer bei Vollastbetrieb erhaltenen Meßwerten dargestellt. Bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskammer kann eine Abnahme des Brennstoffverbrauchs (Fig. 2A) festgestellt werden infolge einer gesteigerten Leistungsabgabe des Motors, sowie eine gleichzeitige Abnahme der NOx Konzentration (Fig. 2C). Wenngleich die Rauchgaskonzentration der erfindungsgemäßen Verbrennungskammer eine abnehmende Tendenz zeigt im Vergleich mit den Meßwerten für die erste Verbrennungskammer, deren Innenwände vollständig von Metallteilen gebildet sind, so bleibt diese Konzentration im wesentlichen auf dem gleichen Niveau im Vergleich zu den Meßwerten der zweiten Vergleichskammer, bei der die Oberseite des Kolbenbodens aus einem Keramikteil gebildet ist (Fig. 2B). Gleichwohl sind die mit der vorliegenden Erfindung erzielbaren verbesserten Verbrennungseigenschaften deutlich erkennbar, weil die zweite Vergleichskammer, bei der die Wand des Hohlraums von einem gesinterten Keramikkörper gebildet ist, im Vergleich zu der ersten Vergleichskammer sowohl einen erhöhten Brennstoffverbrauch als auch eine erhöhte NOx Konzentration erbringt.
  • Andererseits zeigen die Fig. 2D und 2E die Verbrennungseigenschaften jedes Motors auf der Grundlage der Ausgangswerte, die für verschiedene Brennstoffeinspritzzeiten unter Vollastbedingung und bei der gleichen Drehzahl des Motors erhalten wurden, und die sodann dimensionslos gemacht wurden, durch die bei einer bestimmten Brennstoffeinspritzdauer erhaltenen Werte für die erste Vergleichskammer, deren Innenwände vollständig aus Metallteilen gebildet sind. Die dimensionslosen Werte sind in Bezug auf die NOx Konzentration gezeigt. Wenn man den Brennstoffverbrauch (Fig. 2D) und die Abgas-Rauchkonzentration (Fig. 2E) bei gleicher NOx Konzentration vergleicht, dann ist deutlich erkennbar, daß mit der vorliegenden Erfindung eine Verringerung des Brennstoffverbrauchs und eine Verbesserung der Abgasreinigung erzielt werden kann.
  • Die Erfinder haben ferner festgestellt, daß diese Vorteile sogar noch ausgeprägter erzielt werden können, wenn der Flächenanteil des hitzefesten Materials an der Innenwand der Verbrennungskammer 70% oder höher ist.
  • Aus der vorstehenden ausführlichen Beschreibung ist erkennbar, daß die erfindungsgemäße verbrennungskammer für Dieselbrennkraftmaschinen eine Innenwand hat, deren Brennstoffaufprallflächen aus einem metallischen Material gebildet sind und daher auf einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur gehalten werden können im Vergleich zu der herkömmlichen Anordnung, bei der ein Keramikmaterial oder ein ähnliches hitzefestes Material zur Bildung der Brennstoffaufprallflächen verwendet wird. Dies hat zur Folge, daß die Verbrennungsfläche, die von dem eingespritzten Brennstoff gebildet wird, wenn dieser auf die Innenwand der Verbrennungskammer auftrifft, auf einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur gehalten werden kann. Außerdem kann ein Teil der durch die anfängliche Verbrennung des Brennstoffs gebildeten Wärme von dem metallischen Materialbereich der Innenwand der Verbrennungskammer abgeleitet werden. Demzufolge kann die vorstehend erwähnte Verbrennungsfläche vor einer übermäßigen Erhitzung geschützt werden, wodurch die NOx Emission im Abgas minimiert werden kann.
  • Die vorstehend erwähnte Ausbildung der vorliegenden Erfindung ist auch insofern vorteilhaft, als eine angemessene Zündverzögerungsdauer beibehalten werden kann, während der der Brennstoff wirkungsvoll mit Sauerstoff vermischt werden kann, um eine angemessene Anfangsverbrennung zu erzielen. Andererseits wird durch die Verwendung des hitzefesten Materials, wie z.B. eines Keramikmaterials od. dgl., zur Ausbildung mindestens eines Teils der Restfläche der Innenwand der Verbrennungskammer erreicht, daß diese Restfläche auf einer verhältnismäßig hohen Temperatur gehalten werden kann, um dadurch eine angemessene Hauptverbrennung des Brennstoffs in einer kürzeren Zeitdauer zu erzielen im Vergleich mit der herkömmlichen Anordnung, bei der diese Fläche von einem metallischen Material gebildet ist. Demzufolge ist eine größere Ausgangsleistung und ein geringerer Brennstoffverbrauch des Motors sowie eine verbesserte Abgasreinigung erzielbar.
  • Wenngleich die vorliegende Erfindung anhand der gezeigten besonderen Ausführungsformen ausführlich erläutert wurde, ist erkennbar, daß die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist und daß zahlreiche Abwandlungen oder Änderungen möglich sind, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen.
  • Beispielsweise kann der in dem Zylinderboden ausgebildete Hohlraum, der bei der gezeigten Ausführungsform einen kreisrunden Umriß hat, auch eine andere Raumform haben. Ferner kann das einen Teil der Innenwand der Verbrennungskammer bildende hitzefeste Material bei den vorstehend erwähnten Ausführungsformen anstelle eines Keramikmaterials ein hitzefestes metallisches Material mit einer ausreichenden Hitzebeständigkeit sein, um zumindest einen Teil der Innenwand, ausgenommen die Wand des Hohlraums und/oder die Brennstoffaufprallflächen, während des Betriebs des Motors auf einer verhältnismäßig hohen Temperatur zu halten. Ferner ist erkennbar, daß zur Herstellung des Kolbens, der Zylinderlaufbuchse 2 und/oder des Zylinderkopfes des Motors anstelle von Gußeisen und einer Aluminiumlegierung ein anderes metallisches Material verwendet werden kann

Claims (11)

1. Verbrennungskammer für eine Dieselbrennkraftmaschine, die durch Innenwände begrenzt ist, umfassend:
(a) eine Brennstoffaufprallfläche, auf die Brennstoff unmittelbar aufgespritzt wird, die zumindest einen Teil einer Innenwand einer Ausnehmung (12) eines Kolbens (11) umfaßt und eine Fläche aus einem wärmeleitfähigen Metallteil (11) ist, und
(b) eine Restfläche, auf die Brennstoff nicht unmittelbar aufgespritzt wird und die zumindest teilweise mit mindestens einem hitzefesten Material (5, 24) versehen ist, wobei diese Restfläche eine Schicht (24) aus einem hitzefesten Material umfaßt, das auf einem Zylinderkopf (21) zwischen einer Unterseite des Zylinderkopfes und dem Kolben (11) angeordnet ist;
dadurch gekennzeichnet, daß ein gesinterter Keramikkörper (37) aus teilweise stabilisierter Zirkonerde zwischen der Unterseite des Zylinderkopfes (21) und der Schicht (24) aus hitzefestem Material angeordnet ist;
und daß der Flächenbereich der Innenwände der Brennkammer, der mit dem hitzefesten Material oder den Materialien (5, 24) versehen ist, mindestens 40% der Gesamtfläche der innenwände der Brennkammer abzüglich der Oberfläche der besagten Ausnehmung (12) beträgt.
2. Brennkammer nach Anspruch 1, wobei der besagte Flächenbereich des hitzefesten Materials oder der Materialien (5, 24) mindestens 70% der Gesamtfläche der innenwände der Brennkammer abzüglich der Oberfläche der besagten Ausnehmung beträgt.
3. Verbrennungskammer nach Anspruch 1 oder 2, wobei die besagte Restfläche ferner eine Oberseite des Kolbens (11) umfaßt, die zumindest teilweise aus dem besagten hitzfesten Material besteht.
4. Verbrennungskammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die besagte Restfläche ferner eine Innenfläche einer Laufbuchse (2) umfaßt, die zumindest teilweise aus dem besagten hitzefesten Material (5) besteht.
5. Verbrennungskammer nach Anspruch 4, wobei derjenige Bereich der Laufbuchsenfläche, der aus dem besagten hitzefesten Material (5) besteht, gemessen vom oberen Ende der Laufbuchse eine axiale Länge von mindestens 5 mm hat.
6. Verbrennungskammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der gesinterte Keramikkörper (37) eine Wärmeleitfähigkeit von nicht mehr als 0,02 cal/cm.s.ºC hat.
7. Verbrennungskammer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die besagte Schicht (24) aus hitzefestem Material auf dem Zylinderkopf (21) aus einem keramischen Material oder aus einem hitzefesten Metall hergestellt ist.
8. Verbrennungskammer nach Anspruch 7, wobei die besagte Schicht (24) aus hitzefestem Material auf dem Zylinderkopf (21) aus einem gesinterten Keramikkörper (24) besteht.
9. Verbrennungskammer nach Anspruch 8, wobei der gesinterte Keramikkörper (24) aus teilweise stabilisierter Zirkonerde, Mullit, Siliziumnitrid, Sialon, Aluminiumoxid, Siliziumkarbid oder einem Gemisch hiervon hergestellt ist.
10. Verbrennungskammer nach Anspruch 7, wobei die Schicht (24) aus hitzefestem Material auf dem Zylinderkopf (21) aus einem hitzefesten Metall, wie rostfreier Stahl, eine Superlegierung auf Nickelbasis, eine Superlegierung auf Kobaltbasis und hitzefester Gußstahl, hergestellt ist.
11. Verbrennungskammer nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in einer nicht aufgeladenen Dieselbrennkraftmaschine.
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