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Mit Selbstzündung arbeitende luftgekühlte Brennkraftmaschine mit einem Brennraum im Kolben
Die Erfindung betrifft eine mit Selbstzündung arbeitende und vorzugsweise mittels eines Gebläses luftgekühlte Brennkraftmaschine mit einem Einlassventil und einem Auslassventil und einer Einspritzdüse im Zylinderkopf und mit einem Brennraum im Kolben. Derartige Brennkraftmaschinen sind in verschiedenen
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grad, ausgelegt sind und andere auf besonders gute Hubraumausnutzung und hohe thermische Belastung, während bei andem ein gutes Startvermögen oder geringe Laufgeräuscherzeugung erzielt ist.
Die vorliegende Erfindung bezweckt, eine Brennkraftmaschine zu schaffen, die in einem sehr grossen Drehzahlbereich, d. h. bei einer extrem grossen Differenz zwischen höchstmöglicher Drehzahl und Min- destdrehzahl, ein sehr gutes Lauf-und Verbrennungsverhalten zeigt.
Die Brennkraftmaschine gemäss der Erfindung weist folgende an sich bekannte Merkmale auf : a) Der Kolbenbrennraum ist rotationskôrperförmig und liegt zentrisch zur Zylinderachse und ist durch einen tangential in ihn einmündenden Überströmkanal mit dem Verbrennungsraum im Zylinder verbunden ; b) die Einspritzdüse ist eine Einlochdüse ; c) die Mittelachse der Einspritzdüse schliesst mit der Verlängerung der Achse des Überströmkanals und mit der Zylinderachse einen spitzen Winkel ein : d) die Verlängerung der Mittelachse der Einspritzdüse geht in der oberen Kolbentotlage zumindest annähernd durch Jen Mittelpunkt des Kolbenbrennraumes :
e) die Achsen der beiden Ventile schneiden die Zylinderachse in einem Punkt unter jeweils einem spitzen Winkel und liegen auf einer Seite der senkrecht auf der Kûhlluftströmungsrichtung liegenden Hauptsymmetrieebene des Zylinders und schliessen in der Projektion auf eine zur Zylinderachse senkrechte Ebene jeweils einen spitzen Winkel mit der genannten Hauptsymmetrieebene ein ; f) die dem Verbrennungsraum im Zylinder zugewandte Seite des Zylinderkopfes ist kugelkalottenförmig ausgestaltet.
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kanals und aus der Richtung, die erfindungsgemäss dem Einspritzstrahl gegeben wird, ergibt sich, dass der Einspritzstrahl quer durch den Überströmkanal geht und in die der Mündung des Überströmkanals gegen- überliegende Seite des Brennraumes führt, solange der Kolben kurz vor seinem oberen Totpunkt steht.
Aus dieser Kombination von verschiedenen Merkmalen ergibt sich jedoch folgende Wirkung : Bei geringer Drehzahl der Brennkraftmaschine-also insbesondere beim Start - ist der Einspritzstrahl, kurz bevor der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht hat, in der Brennkammer auf der der Mündung des Überströmkanals gegenüberliegenden Seite der Luftströmung entgegengerichtet. Durch dieses Gegeneinanderströmen von Luft und Kraftstofftröpfchen werden diese besonders stark zerrissen md somit, kurz bevor der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht, ein Gemischzustand geschaffen, der für niedrige Drehzahlen besonders erwünscht ist.
Sobald der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht hat, geht der Einspritzstrahl etwa durch die Mitte des Brennraumes im Kolben, so dass nunmehr die Kraftstofftröpfchen im Einspritzstrahl von der Luftströmung im Überströmkanal bzw. der Wirbelströmung in der Brennkammer mitgerissen werden. Bei
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entgegengerichtet ist, weil bei hohen Drehzahlen grösserer Wert auf ein gleichmässiges Durchbrennen zu legen ist als auf einen stark zerrissenen Einspritzstrahl.
Durch die Kombination von'verschiedenen Merkmalen wird bei der Brennkraftmaschine gemäss der vorliegenden Erfindung auch bei hohen Drehzahlen der gewünschte Verbrennungsablauf erzielt, u. zw. dadurch, dass der Einspritzstrahl, der ja mit der Achse des Überströmkanals einen relativ geringen Winkel einschliesst, durch die bei hohen Drehzahlen mit sehr hoher Geschwindigkeit strömende Luft bereits im Überströmkanal mitgerissen wird und dadurch im Überströmkanal und in der Brennkammer nur mit der Luftströmung und nicht entgegen dieser sich bewegt.
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spritzmengen, die eingespritzt werden, bevor der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht, sehr stark zerissen werden und dadurch die erste Zündung einleiten, während die Hauptluaftstoffmenfc annähernd dann, wenn der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht hat, mit der Luftströmung eingeführt wird, wird bei hohen Drehzahlen praktisch die gesamte eingespritzte Kraftstoffmenge mit der Luftströmung bewegt und somit der erwähnte Vorteil erzielt, dass in einem sehr grossen Drehzahlbereich gunstige Verbrennungabläufe erzielt werden.
Das Zusammenwirken der die Anordnung von Einspritzdüse, Kolbenbrennraum und Überströmkanal betreffenden Merkmale bedingt, dass die diese Merkmale aufweisende Brennkraftmaschine für sehr hohe Drehzahlen geeignet ist. Eine mit hohen Drehzahlen betriebene Brennkraftmaschine weist aber eine ent- sprechend hohe thermische Belastung auf und bedingt deshalb eine gute Wärmeabführung vom Zylinderkopf, insbesondere im Bereich zwischen den Ventilen.
Eine derartige Wärmeabführung ist aber durch die unter e) genannten Merkmale gesichert, u. zw. wird einerseits durch diese Merkmale möglichst viel Raum für-den Durchgang von Kühlluft zwischen den Gaskanälen an den Ventilen geschaffen und anderseits gesichert, dass genug Metall in der Nähe der Zylinderachse im Zylinderkopf zur Verfügung steht, um einerseits eine hinreichende Wärmeleitung und-festigkeit zu erzielen und darüber hinaus auch noch Raum zu gewinnen für die Anordnung der Einspritzdüse, die den unter c) und d) genannten Merkmalen entspricht.
Daraus ergibt sich, dass die Zylinderköpfe bei der Brennkraftmaschine gemäss der Erfindung eine sehr hohe Lebensdauer aufweisen, obwohl die Brennkraftmaschine mit höherer Drehzahl und höherem effektiven Mitteldruck, also mit höherer thermischer Belastung, zu betreiben ist als die bisher bekannten Brennkraftmaschinen.
Eine derartig hohe thermische Belastung wird aber auch wieder ermöglicht durch die zentrische Anordnung des Kolbenbrennraumes und die möglichst zentrische Anordnung des Überströmka- nals, die nicht nur günstige Strömungsverhältnisse ergeben, nämlich insofern, als beim Verdichtungshub die Luft von allen Seiten möglichst gleichmässig zur Mündung des Überströmkanals hinströmt, sondern auch den Kolben in bezug auf mechanische und thermische Belastung und Festigkeit möglichst symme-
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nen Anordnung der Ventile ist aber wieder die Kugelkalottenform des Brennraumes im Zylinder besonders vorteilhaft. Alle Merkmale wirken somit in günstigster Weise zusammen, so dass sich eine Brennkraftmaschine mit ungewöhnlich gutem Lauf-Verhalten und Verbrennungs-Verhalten in hohem Drehzahlbereich ergibt und somit der Zweck der Erfindung erfüllt wird.
Gemäss einem weiteren Schritt der Erfindung ist, wie an sich bekannt, der dem Verbrennungsraum im Zylinder zugewandte Boden des Kolbens flach bis muldenförmig ausgestaltet, so dass der zwischen Kolbenboden und Zylinderkopf eingeschlossene Verbrennungsraum im Zylinder zumindest annähernd linsenför- mig ist, wenn der Kolben in der oberen Kolbentotlage steht. Durch diese Ausgestaltungsform des Kolbenbodens wird das erstrebte, möglichst günstige Strömungsverhalten der Luft während des Verdichtungshubes zum Überströmkanal hin begünstigt.
Weiterhin ist vorgesehen, dass der Kolbenbrennr2um in an sich bekannter Weise etwa kugelförmig ist, so dass nicht nur die Strömung in diesem Kolbenbrennraum in bezug auf den Einspritzstrahl besonders günstig ist, sondern auch die erstrebte symmetrische Ausgestaltung des Kolbens so weitgehend wie nur irgendmöglich verwirklicht ist.
Ferner ist vorgesehen, dass der Überströmkanal in an sich bekannter Weise zumindest annähernd einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, so dass nicht nur mechanische und thermische Spannungsspitzen. im Bereich des Überströmkanals soweit wie nur irgendwie möglich vermieden werden, sondern auch wieder das erstrebte, möglichst symmetrische Strömungsverhalten der Luft während des Veré1chtungshubes untersetzt wird.
Gemäss einem weiteren Schritt der Erfindung ist vorgesehen, dass der Durchmesser des Überströmka- nals in an sich bekannter Weise zumindest annähernd halb so gross ist wie der Durchmesser des Kolbenbrennraumes. Dadurch wird wieder die erstrebte Strömung im Kolbenbmnnraum und das erstrebte Zusammenwirken zwischen Luftströmung im Kolbenbrennraum und überströmkanal und Einspritzstrahl so weitgehend wie möglich verwirklicht.
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Schliesslich ist vorgesehen, dass die Achse des Überströmkanals in an sich bekannter Weise zumindest annähernd parallel zur Zylinderachse ist, um wieder eine möglichst symmetrische Ausgestaltung mit mög- lichst gleichmässiger Luftströmung zu erzielen und trotz der geforderten Lage des Einspritzstrahles gegen- über dem Überströmkanal eine günstige Lage für die Einspritzdüse im Zylinderkopf zu ermöglichen.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Fig. 1 zeigt einen
Schnitt durch einen Zylinder und Kolben einer Brennkraftmaschine gemäss der Erfindung, wobei mit der vorliegenden Erfindung nicht unmittelbar im Zusammenhang stehende Teile fortgelassen sind. Fig. 2 zeigt schematisch eine Draufsicht auf den Zylinderkopf gemäss Fig. 1. Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch den Zy- linder nach Fig. 1 in einer senkrecht auf der Zeichenebene nach Fig. 1 stehenden Ebene. Fig. 4 zeigt skiz- zenhaft die wesentlichen Teile der Brennkraftmaschine wie in Fig. 1 dargestellt, jedoch in einer andern
Lage des Kolbens.
InFig. l befindet sich der Kolben 7 in dem Zylinder 1 in der oberen Totpunktlage. Der Zylinder 1 ist mit einem Zylinderkopf 2 versehen, dessen Zylinderkopfboden 3 den Zylinder 1 nach oben abschliesst und der einen Gaskanal 4 aufweist, der bei einem Ventil 5 mündet. Die Einspritzdüse 6 ist schräg im Zylin- derkopf 2 angeordnet. Der Kolben 7 ist mit Kolbenringen 8 versehen und weist einen rotationshohlkör- perförmigen Brennraum 10 auf. Der Brennraum 10 ist durch einen Überströmkanal 11, der im Kolbenbo- den 9 mündet, mit dem Verbrennungsraum 12 verbunden, der zwischen Kolbenboden 9 und Zylinderkopf- boden 3 eingeschlossen ist. Der Kolben 7 weist ein Kolbenbolzenauge 13 auf, über das der Kolben 7 mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten Kurbeltrieb verbunden ist.
Die Einspritzdüse 6 ist eine Ein- lochdüse, wobei die Achse des Einspritzstrahles mit der Achse 14 der Einspritzdüse 6 zusammenfällt. In der dargestellten Lage des Kolbens 7 geht die Achse 14 der Einspritzdüse 6 durch den Mittelpunkt 15 des rotationshohlkörperförmigen Brennraumes 10 im Kolben 7, wobei diese Achse 14 mit der Achse des Überströmkanals 11 einen spitzen Winkel einschliesst. Die während des Verdichtungshubes aus dem Verbrennungsraum 12 durch den Überströmkanal 11 in die Brennkammer 10 einströmende Luft rotiert in dieser in Richtung der Pfeile 16. Läuft die Brennkraftmaschine mit hoher Drehzahl, so tritt eine hohe Luftgeschwindigkeit im Überströmkanal 11 auf und eine entsprechend starke Rotation der Luft im Brennraum 10.
Durch die hohe Luftgeschwindigkeit im Überströmkanal 11 wird der aus der Einspritzdüse 6 austretende Kraftstoffeinspritzstrahl 17 mitgerissen und abgelenkt, wobei durch die hohe Rotationsgeschwindigkeit Kraftstoffteil- chen an die Brennkammerwand 18 ausgeschleudert werden. Dort verdampft der Kraftstoff. Die Achse 19 des Ventiles 5 und die in Fig. 2 zu erkennende Achse 20 des zweiten Ventiles schneiden im Punkt 21 die Achse 22 des Zylinders l.
Die Fig. 3 zeigt einen Seitenriss, der durch die Zylinderachse 22 und durch die Ventilachsen 19 und 20 geführt ist. In Verbindung mit der Fig. l lassen sich die optimalen Möglichkeiten für die Unterbringungen ausreichender Wärmefliessquerschnitte aus der Stegpartie 23 und grosser Wärmeaustauschoberflächen durch gute, giesstechnisch einfache Verripr barkeit und grosseQuerschnitte 24 für denStfömungskanal der Kühlluft über der Stegpartie erkennen. Zwischen den Ventilsitzringen 25 und 26 weist der Zylinderkopf eine geringe Aussparung 27 auf, die die Stegpartie 23 thermisch zwischen den Ventilsitzringen entlastet.
Bei der in Fig. 4 dargestellten Lage steht der Kolben 7 etwa 250 Kurbelwinkel vor der oberen Totpunktlage. Das ist etwa die Lage, bei der die Kraftstoffeinspritzung beginnt. Der Kraftstoffstrahl 28, der sich in Richtung der Achse 14 der Einspritzdüse 6 bewegt, wird bei niederen Drehzahlen der Brennkraftmaschine und somit niedrigen Luftgeschwindigkeiten im Überströmkanal 11 kaum oder gar nicht abgelenkt, so dass er auf der in der Zeichnung rechten Seite der Brennkammer 10 sich entgegen der Strömung der Luft bewegt, so dass die einzelnen Kraftstofftröpfchen gegenüber der Luft eine hohe Relativgeschwindigkeit aufweisen. Dadurch wird eine gute Zerteilung und Aufbereitung del Kraftstofftröpfchen erzielt, wodurch eine hohe Zündwilligkeit erreicht wird.
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