DE2950754C2 - Gemischansaugende Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine gemischansaugende Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs I, speziell auf die Ausgestaltung des Verbrennungsraumes bei einer solchen Brennkraftmaschine. Eine den Ausgangspunkt der Erfindung bildende so Brennkraftmaschine ist aus der DE-OS 27 31 086 bekannt.

Man weiß, daß bei Brennkraftmaschinen die Gestalt der Brennkammer einen großen Einfluß auf den Verbrennungsvorgang im Gasgemisch hat und daß man durch geeignete Gestaltung der Brennkammer die Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, wie beispielsweise die abgegebene Leistung, den Kraftstoffverbrauch, die Geräuschentwicklung, die Abgaszusammensetzung usw. sehr beeinflussen kann. Besondere Ziele, «> die durch spezielle Brennkammergestaltungen angestrebt werden, sind: Verkürzung des Flammfortpflanzungswcges, Steigerung der Verbrennungsgeschwindigkeit durch Hervorrufen einer gewünschten Turbulenz im Gasgemisch während der z.weiten Hälfte des Verdichtungstaktes, Herabsetzung der Tempcratursteigerung im Gas, um ein Klopfen zu verhindern usw.

Um die Verbrennungsgeschwindigkeit zu erhöhen.

wird in vielen Brennkraftmaschinen eine Gasquetschung durchgeführt. Durch sie wird eine Wirbelbewegung im Gasgemisch hervorgerufen, und zwar hauptsächlich in radialer Richtung der Zylinderführung. Dabei wird zwischen einem ebenen oberen Teil des Kolbens und einem ebenen unteren Teil des Zylinderkopfes bei Annäherung dieser beiden Teile gegeneinander in OT-Stellung des Kolbens ein enger Quetschspalt gebildet. Aus diesem Spalt wird das Gasgemisch in die Brennkammer genuetschi, wenn sich der Kolben im oberen Totpunkt befindet. Die Stärke und die Richtung dieser aus dem Spalt austretenden Gasströmung werden von der Lage der Quetschzone bestimmt

Bei der aus der DE-OS 27 31 086 bekannten Brennkraftmaschine weist der Kolben eine keilförmige Vertiefung auf. Die Elektroden der Zündkerze liegen außerhaJb der Ebene der Quetschströmung. Die Ränder der Kolbenvertiefung und die Ränder einer Zylinderkopfvertiefung fluchten nicht miteinander im Bereich der Quetschzone. Die Seitenwände der Kolbenvertiefung verlaufen schräg zur Quetschzone. Die getroffenen Maßnahmen schaffen die für eine bestimmte günstige Ventilsteuerung die räumlich günstigen Voraussetzungen, berücksichtigen aber zu wenig die für eine Zündung und Rammausbreitung günstigen Strömungsverhältnisse in der Brennkammer.

Der Erfindung üegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art anzugeben, bei der durch geeignete Brennraumgestaltung die Zündung und die Rammausbreitung nach der Zündung begünstigt sind.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst Eine vorteilhafte Weiterbildung ist Gegenstand des Unteranspruchs.

Durch diese Anordnung wird eine Schicht von Mikroturbulenzen im Gemisch in einer und um eine Ebene herum erzeugt, die sich von der Quetschzone bis zur Elektrodenstrecke der Zündkerze erstreckt Diese Mikroturbulenzen begünstigen Zündung und Flammausbreitung. Klopferscheinungen wenden verringert' und gleichzeitig wird der thermodynamische Wirkungsgrad verbessert Darüber hinaus ergibt sich eine erhebliche Geräuschverminderung der Maschine.

Weil die Umrisse der ebenen Bereiche von Kolben und Zylinderkopf in Achsrichtung des Zylinders gesehen sich überdecken, was besonders deutlich ist, wenn sich der Kolben in OT-Stellung befindet, wird die Quetschströmung direkt in den zentralen Bereich der Brennkammer gerichtet, ohne daß er am Kolbenboden oder am Boden des Zylinderkopfes entlangstreicht. Auf diese Weise sind Reibungseffekte und Strömungsstörungen aufgrund von Oberflächenwiderständen ausgeschlossen.

Die Mirkoturbulenzen, die durch die Quetschströmung im Gasgemisch hervorgerufen werden, breiten sich auch in einen Teilraum unter dem Auslaßventil aus, so daß ein Temperaturanstieg des Gasgemisches im Bereich um das Auslaßventil vermindert wird und das Auslaßventil kühlgehalten wird. Auf diese Weise wild ebenfalls Klopfneigungen vorgebeugt.

Um weiterhin die Quetschströmung zu verstärken, ist es wichtig, daß diejenige Wand der Kolbenvertiefung, die an ihrem oberen Rand an die Qtietschzone anstößt, im wesentlichen senkrecht zur Quetschzone verläuft. Dies vermindert die schon erläuterte Neigung eines Entlangkriechens der Strömung an Oberflächen. Aufgrund der erfindungsgemäßen Maßnahmen kann

Kraftstoff verminderter Oktanzahl zum Betrieb der Maschine verwendet werden. Alternativ kann bei unveränderter Oktanzahl des Kraftstoffs das Verdichtungsverhältnis der Maschine sehr vergrößert werden, ohne daß ein Klopfen auftritt. Man erreicht eine Steigerung der Maschinenleistung, eine Verminderung des Kraftstoffverbrauchs und eine Verminderung von Schadstoffen teilen in den Abgasen der Maschine. Auch ist es möglich, die Maschine mit einem relativ mageren Gemisch zu betrüben. Auch ist eine Abgasrezii kulierung möglich, ohne daß dadurch der Betrieb instabil wird.

Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt, längs der Linie I-I von Fig.2 durch den oberen Bereich von Zylinderkopf, Zylinder und Kolben einer ausführungsgemäßen Brennkraftmaschine;

Fig.2 eine Ansicht von unten der Maschine nach Fig. I.und

F i g. 3 eine Draufsicht auf den Kolben der Maschine nach Fig. 1.

Die F i g. 1 bis 3 zeigen eine Ausführungsform, bestehend aus einem Zylinderblock 1 mit darin ausgebildeter Zylinderbohrung 2 und einem auf dem Zylinderkopf unter Zwischenlage einer Zylinderkopfdichtung 3 befestigten Zylinderkopf 4, der die Zylinderbohrung 2 nach oben abschließt

In der Zylinderbohrung 2 ist ein Kolben 12 geführt, der mittels Kolbenringen 13, 14 und 15 gegen die Zylinderwandung abgedichtet ist.

Im Zylinderkopf 4 ist eine Vertiefung 5 ausgebildet, die im vorliegenden Beispiel keilförmig gestaltet ist und gegen die Achse der Zylinderbohrung 2 vesetzt ist, im dargestellten Bild nach links. Die Unterseite des Zylinderkopfes, die diese Vertiefung umgibt und der Zylinderbohrung 2 gegenübersteht, liegt im wesentlichen in der oberen Ebene der Zylinderkopfdichtung 3, d. h. sie verläuft parallel und leicht versetzt zur ebenen Oberseite des 'Zylinderblock* 1.

Die Oberseite des Kolbens 12 ist mit einer Vertiefung 16 versehen, im übrigen ist die Oberseite des Kolbens eben. Diese Vertiefung ist in der gleichen Weise und auf der gleichen Seite wie die Vertiefung im Zylinderkopf 4 gegen die Achse der Zylinderbohrung 2 versetzt. Wenn sich der Kolben in der Zylinderbohrung 2 in üblicher Weise unter der Wirkung einer Pleuelstange (nicht dargestellt) bewegt, dann gelangt er im oberen Totpunkt der Bewegung so weit nach oben, daß er im wesentlichen die untere Ewene der Zylinderkopfdichtung 3 erreicht und daher bis dicht an die Unterseite des Zylinderkopfes 4 herankommt. Wenn sich der Kolben dieser Stellung befindet, wie sie in F i g. 1 eingezeichnet ist, dann wird die Brennkammer, d.h. der Raum, in welchem das Luft/Kraftstoffgemisch eingeschlossen ist, im wesentlichen von den zwei Vertiefungen 5 und 16 gebildet, während der Raum, der zuvor zwischen den ebenen Bereichen von Kolbenoberseite und Zylinderkopfunterseite begrenzt wurde, im wesentlichen verschwunden ist, er wurde »zerquetscht«, woraus der bekannte Quctschströmungseffckt resultiert.

Auf ihrer einen Seite (der rechten Seite in Fig. 1) ist die Vertiefung 5 von einer Dachschräge begrenzt, die eine ziemlich geringe Neigung 5<i gegen die ebene Unterseite des ZyKndcrkcpfcs aufweist. Auf ihrer anderen Seite ist die Vertiefung 5 von einer relativ steilen Dachschräge 5b b-j.vrcnzt. In der ersten, gering geneigten Schräge 5a sind eine Einlaßöffnung 6 und f?ine Auslaßöffnung 7 angeordnet, die durch entsprechende Ventile 8 bzw, 9 gesteuert werden. In dar steileren Schräge 5ό ist die Bohrung 10 für eine Zündkerze ausgebildet Die Achse dieser Bohrung 10 schneidet die Achse der Zylinderbohrung Z

In diese Bohrung 10 ist eine Zündkerze 11 eingeschraubt, deren Elektrodenstrecke 11', d.h. der Bereich, in welchem die Funken auftreten, in die

ίο Brennkammer vorsteht In der gezeigten Ausführungsform der Erfindung liegt diese Elektrodenstrecke 1Γ im wesentlichen in der Ebene der Zylinderkopfdichtung 3, d. h. in der Ebene, die von der Unterseite des Zylinderkopfes 4 und der Oberseite des Kolbens 12 in OT-Stellung desselben angegeben wird. Diese Ebene wird nachfolgend Quetschebene genannt

Wenn sich der Kolben 12 während seines Bewegungsablaufes in der oberen Totpunktstellung befindet, dann wird die Brennkammer, die im wesentlichen von den Vertiefungen 5 und 16 gebildet wird, durch die Quetschebene geteilt In der gezeigtr·; Ausffihrungsform sind die Volumina dieser Vertiefungen im wesentlichen einander gleich. Auf jeden Fall ist es erwünscht, daß die größere der beiden Vertiefungen nicht um mehr als 50% größer ist als die kleinere Vertiefung

Im gezeigten Ausführungsbeispiel fluchten die Umrißlinien von Zylinderkopfvertiefung 5 und Kolbenvertiefung 16 in axialer Richtung der Zylinderbohrung miteinander. Wie man aus den F i g. 2 und 3 erkennt, entsprechen die Gestalten der ebenen Bereiche von Zylinderkopf und Kolben im wesentlichen einander und decken sich.

Betrachtet man Fig. 1, dann sieht man. daß die Oberseite des Kolbens 12 einen Bereich 18 auf der Seite fern von der Zündkerze 11 aulweist, die einem Bereich 19 der Unterseite des Zylinderkopfes 4 gegenübersteht Zwischen diesen beiden einander gegenüberstehenden Bereichen 18 und 19 wird eine erste Quetschzone 20.auf jener Seite der Zylinderbohrung eingeschlossen, die fern von der Zündkerze 11 liegt, d. h. auf jener Seite, auf der dk geringer geneigte Schräge 5a der Zylinderkopfvertiefung 5 liegt Die Oberseite des Kolbens 12 weist einen weiteren Bereich 21 auf der gleichen Seite der Zylinderachse, auf der die Zündkerze 11 liegt, auf, d. h. auf jener Seite, auf der die steilere Schräge 5b der Zylinderkopfvertiefung 5 liegt Dieser Bereich 21 liegt einem Bereich 22 der Unterseite des Zylinderkopfes 4 gegenüber und bildet mit diesem eine zweite Quetschzone 23, die kleiner ist als die erste Quetschzone 20. Das Verhältnis der Flächen der beiden Quetschzonen beträgt etwa 4.

Ein spezielles Merkmal ist es, daß sich die Umrißlinien von Kolbenvertiefung 16 und Zylinderkopfvertiefung 5 decken, was besonders in OT-Stellung des Kolbens erkennbar ist. Diese Deckung muß zumindest im Bereich der ersten Quetschzone 20 vorhanden sein. Dies stellt sicher, daß die aus der Quetschzone austretende Gasströmung gerade in die Brennkammer gerichtet wird, ohne daß sie a'. der Oberfläche von Kolben oder Brennkammer entlangstreicht, um einen Geschwindigkeitsverlust in der Gasströmung durch Wandreibung hinnehmen zu müssen. Die Seitenwand 17 der Kolbenvertiefung 16 verläuft im wesentlichen senkrecht

f'> zur Quetschebenc im Bereich des Übergangs von Vertiefung SO und er.,ä?r Qu?tschzone 20. Dies strllt weiterhin die erwähnte gute Trennung der Quetschströmung vom Kolbcnrand sicher.

Im Betrieb der so ausgestalteten Otto-Maschine, wird während des VerdichtungslaUes, wenn sich der Kolben 12 nach oben in Richtung auf den oberen Totpunkt bewegt, das Gasgemisch in der Brennkammer verdichtet. Wenn der Kolben in den Bereich seiner OT-Stellung kommt, dann wird das Gasgemisch in erster und zweiter Quetschzone weit mehr komprimiert als im übrigen Zylinderraum, weil diese Quetschzone in ihren vertikalen Abmessungen sehr klein werden. Daher wird das Gasgemisch seitlich aus den Quetschzonen heraus in den Hauplverbrenmingsraum gedruckt, der. wie schon erwähnt, in OT-Stellung des Kolbens im wesentlichen von den beiden Vertiefungen 16 und j in Kolben und Zylinderkopf gebildet wird. Auf diese Weise werden die erwähnten Quctschströmungen erzeugt. Diese rufen im Hauptverbrennungsraum Turbulenzen hervor.

Weil bei dieser Ausführungsform die erste Quetschzone 20 größer ist als die zweite Quetschzone 23. und .^•-jj jjjj. Vcrhsiini" der ^üCsch/orienflächer! un"ofähr 4 beträgt, ist der Hervorspritzeffekl der Gasmischung aus der ersten Quetschzone 20 sehr viel stärker als der aus der zweiten Quetschzone 23. Diese zwei Strömungen treffen daher etwa im Bereich der F.lektrodenstrecke 11' der Zündkerze Il aufeinander. In diesem Aufprallbereich der zwei Strömungen entsteht daher großteils in einer Ebene, die parallel zur Zylinderachse und senkrecht zur Zeichenebene von Fig. I verläuft, eine Mikroturbulenz, in welcher der Elektrodcnbereich Il' der Zündkerze Il liegt. Dies ist sehr nützlich zur Erzielung einer guten Zündung und Verbrennung.

Bei dieser Brennkraftmaschine ist der Zündzeitpunkt vorzugsweise in einen Kurbelwinkelbereich von 40" bis 10° vor OT-Stellung des Kolbens gelegt, bevorzugt in den Bereich von 25^r bis 15° vor OT-Stellung des Kolbens.

Weil weiterhin die Volumina der beiden Vertiefungen 5 und 16 einander gleich sind, erfolgt die Ausbreitung der Flammfront, von der Elcktrodenstrecke 1Γ der Zündkerze 11 ausgehend, annähernd symmetrisch um die Quetschebene, was zur Erzielung einer gleichmäßigen und stabilen Verbrennung beiträgt.

Weil die Begrenzungslinien der beiden Vertiefungen 5 und 16 im wesentlichen in Achsrichtung der Zylinderbohrung gesehen einander in den Randbereichen der Quetschzonen decken und weil gemäß einem besonders vorteilhaften Merkmal die Wand 17 der Vertiefung 16 im Kolben im wesentlichen senkrecht zur Quetschebene verlauft, wo die Umgrenzung auf die Quetschbereiche trifft, speziell im Bereich der ersten Quetschzone. löst sich die Quetschströmung klar vom Zylinderkopf und der oberen Kolbcnflächc ab und folgt nicht einer oder beiden Begrenzungsflächen der Brennkammer. Vielmehr ergießt sich die Strömung frei in die Brennkammer, ohne daß ihre Geschwindigkeit durch Wandreibung vermindert wird.

Weil die Mikrotiirbulenzen im Gasgemisch auch im Bereich unter dem Auslaßventil auftreten, wird eine lokale Temper.''uriiberhöhung im Gasgemisch aufgrund lies heißen Auslaßventils vermieden Gleichzeitig wird die Flammausbreitung von der Zündkerze ausgehend einfacher, wodurch das Auslaßventil besser gekühlt wird und Klopfcrscheinungen unterdrückt werden.

Wenn sich der Kolben über seine OT-Siellung hinaus ^icdcr p-ich ».!Ptcn bc^-c⁴⁷¹. 'jp'J düs G^^^nis^h gezündet ist. dann wird Gas wieder in die Quetschzone 20 und 23 eingesaugt. Ils tritt also der umgekehrte Vorgang auf. Auch dies trägl zu einer weichen Verbrennung bei. Weil sich die Zündkerze in der Quetschebene befindet, erzeugen die umgekehrten »Quetschströme« in der Nachbarschaft der Zündkerze wiederum beachtliche Turbulenzen. Weil weiterhin die Geschwindigkeiten der l-'lammausbreitung gegenüber dem Gasgemisch und der umgekehrte Quetschstrom in der gleichen Richtung verlaufen, wird die scheinbare Flammfortpflanzungsgeschwindigkeit, die sich aus der Vektorsumme ergibt, höher. AIf Folge davon ergibt sich eine schnelle Verbrennung.

Es ist daher möglich, eine derart ausgestaltete Maschine :, ;· einem Luft/Kraftstoffgemisch zu betreiben. das wesentlich magerer ist als bisher verwendet wurde, ohne daß giftige Abgasanteile erzeugt werden. Weiterhin kann eine Abgasrezirkulierung durchgeführt werden, ohne daß die stabile Verbrennung beeinträchtigt wird. Aufgrund der schnellen Verbrennung, die erzielbar ist, wird die Tendenz zu abnormen Verbrennungszuständen. wie sie sich im Klopfen äußern, vermindert. Als Folge daraus läßt sich das Verdichtungsverhältnis der Maschine steigern. Man erreicht hierdurch eine wesentliche Verbesserung hinsichtlich der Leistung der Maschine und des Kraftstoffverbrauches.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   J. Gemischansaugende Brennkraftmaschine, bestehend aus einem Zylinderblock mit Zylinderbobrung und einem darin auf- und abbeweglichen ί Kolben, dessen ebene Oberseite in einem Teilbereich eine exzentrisch zur Zylinderachse gelegene Vertiefung aufweist, und mit einem die Zylinderbohrung verschließenden Zylinderkopf, der in seiner ebenen Unterseite in einem Teilbereich der die Zylinderbohrung überdeckenden Räche eine Vertiefung aufweist, die der Vertiefung im Kolben gegenübersteht, und einer Zündkerze, deren Elektrodenstrecke exzentrisch zur Zylinderachse in dem von den Vertiefungen begrenzten Raum gelegen ist, is an welchen sich in OT-Stellung des Kolbens hauptsächlich auf der der Elektrodenstrecke diametral gegenüberliegenden Seite eine zwischen den einander gegenüberstehenden ebenen Flächen von Kolben und Zylinderkopf ausgebildete Quetschzone anschließe gekennzeichnet durch die Kombination der Merkmale, daß die Kanten, die die Vertiefungen (5, 16) von Zylinderkopf (4) und Kolben (12) von den ebenen Rächen (19, 18) derselben begrenzen, in Achsrichtung gesehen wenigstens im Bereich der Quertschzone (20) miteinander fluchten, daß der Boden der Kolbenvertiefung (16) und der Boden der Vertiefung im Zylinderkopf und die Quetschzone parallel verlaufen, wobei die Seitenwand der Kolbenvertiefung, die w an die Quetschzone anstößt, etwa senkrecht zur ebenen Koioenfläche (18) verläuft, und daß die Elektrodenstrecke (IV) de* Zündkerze (11) im wesentlichen in der Ebene der Quetschzone (20) liegt.
2. 2. Brennkraftmaschine nach Anspruch I mit einer zweiten, auf Seiten der Zündkerze (11) gelegenen Quetschzone vergleichsweise geringer Größe, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenverhältnis von erster zu zweiter Quetschzone (20,23) ungefähr *o 4 beträgt.