DE1476020A1

DE1476020A1 - Kolbenbrennkraftmaschine mit Zeitpunktfremdzuendung

Info

Publication number: DE1476020A1
Application number: DE19651476020
Authority: DE
Inventors: Ludwig Kraus
Original assignee: Auto Union GmbH
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1965-05-06
Filing date: 1965-05-06
Publication date: 1969-08-14
Also published as: BE680564A; AT282260B; ES326212A1; GB1150649A; US3408994A

Description

Gz/B. 17.7.1968

Kolbenbrennkraftmaschine mit Zeitpunktfremdzündung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenbrennkraftmaschine mit Zeitpunktfremdzündung, bei der der Ansaugkanal tangential in den Verdichtungsraum mündet. Bei einer solchen Maschine wird dem einströmenden Kraftstoffluftgemisch eine Bewegung um eine in Zylinderlängsrichtung verlaufende Achse erteilt und so ein unkontrolliertes plötzliches Zünden von im Zylinder befindlichen Gemischbestandteilen - das sogenannte Motorklopfen verhindert. Da der Wirkungsgrad einer Brennkraftmaschine mit J zunehmender Verdichtung steigt, wird bei erhöhter Verdichtung ein höherer Prozentsatz des Kraftstoffes in mechanische Arbeit umgewandelt, als es bei Maschinen mit niedriger Verdichtung der Fall ist.

Zum Erzeugen der Wirbelbewegung im Zylinder muß der Ansaugkanal eine besondere Form haben, bei der sein Strömungswiderstand größer als üblich ist. Dadurch entstehen Füllungsverluste und das Drehmoment wird bei hoher Drehzahl nicht so groß wie bei niedriger und mittlerer Drehzahl. Die Spitzenleistung einer solchen Maschine ist daher geringer als die von Maschinen mit üblichen Ansaugkanälen·

Bei einer bekannten Maschine (österreichische Patentschrift 228 008) ist die näher dem Zylinderkopfboden gelegene Kanalsohle wenigstens in dem dem Ventilsitz benachbarten Bereich flach, vorzugsweise eben ausgebildet und zu der Ebene des im Zylinderkopfboden

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angeordneten Ventilsitzes unter einem spitzen Winkel geneigt, dessen offene Seite der Zylinderachse bzw. dem Zylinderinnenraum zugekehrt ist. Nur etwa durch die Hälfte des vom Ventil freigegebenen Öffnungsquerschnittes strömt die frische Ladung in Richtung des Ansaugkanals tangential in den Arbeitszylinder. Der andere Teil des freigegebenen Öffnungsquerschnittes wird vom Gemisch praktisch nicht durchflossen, weil die frische Ladung eine Umlenkung um nahezu 180° um eine scharfe Kante erfahren müßte und dabei zu hohe Strömungsverluste durch Verwirbelung entstehen. Die Füllung der Zylinder insbesondere im oberen Drehzahlbereich ist daher nicht ausreichend.

Weiter ist eine Maschine (französische Patentschrift 1 233 216) mit einem derart gestalteten Kolbenboden und einer entsprechenden Stufe im Zylinderkopf bekannt, die gegen Ende des Verdichtungshubes einen Drall im Brennraum erzeugt. Die Achse des Dralles ist senkrecht zur Achse des Arbeitszylinders angeordnet. Um diesen Drall zu erzeugen, muß eine Nase am Kolbenboden spitzwinklig in eine Schneide auslaufen. Diese Schneide wird durch die Verbrennungen auf eine wesentlich größere Temperatur als der übrige Kolbenboden erhitzt und löst dann eine klopfende Verbrennung aus. Die an sich durch den Drall erzeugte günstige Verbrennung wird also durch die schneidenartige Ausbildung des Kolbenbodens und durch Wärmeverluste an die große Oberfläche des Verbrennungsraumes wieder aufgehoben.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Drall im Verbrennungsraum ohne nachteilige Folgen wirksam werden zu lassen.

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'. :· rindtmgsgesäße Lösung besteht darin, csf; ■'..-- ·;;άα;Λΐ3 Pro-' .-. "i.ion aes Ansaugkanals auf lic Dichtete:;;; z"wl:.:° ■ ^ C:;;.: ⁷jlincier-

·.;■'' o.n.d dem Zylinderblock im spitzen Wickel v;;n. ;.; - λ' Τ):..ο!ν: sbene ;■.«:· cohen dem Zylinderkopf und des Ansaugkrümmor zv- Ventilsitz i"..'±.vt und daß sich im oberen Totpunkt eine verzug:;·¹.-.;ei?: e kugelzonenfornige Fläche des Kolbenbodens bis auf einen Spalt einer entspre-'iiend geformten Fläche des Verdichtungsraum.es nähert und eine vorzugsweise von einem einzigen erzeugenden Halbmesser gebildete, zum Arbeitszylinder gleichachsige Kolbenbrennkammer einschließt. So gibt der im wesentlichen wie üblich strönmngsgünstig ausgebildete, aber tangential einmündende Ansaugkanal dem einströmenden Gemisch eine um die Zylxnderlangsachse kreisende Bewegung, und weil diese nicht im Ansaugkanal erzeugt wird, sondern erst im Zylinder, wird der Füllungsgrad und damit die Leistung der Maschine nicht verschlechtert. Andererseits reicht die kreisende Bewegung des Gemisches aus, um die gegen Ende des Verdichtungstaktes zwischen dem Rand des Kolbenbodens und dem Rand des Verdichtungsräumes entstehende, an sich radialgerichtete Strömung in neuartiger Weise in eine um die Zylinderachse kreisende Bewegung in einem kompakten Brennraum umzulenken. Die kreisende Bewegung des Gemisches vor und im Augen- I blick der Zündung ermöglicht eine klopffreie Verbrennung bei hoher Verdichtung, so daß in Verbindung mit der guten Füllung durch den strömungsgünstigen Ansaugkanal eine leistungsstarke Maschine mit sparsamem Kraftstoffverbrauch geschaffen wird.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung können gedachte Verlängerungen des tangential in den Kompressionsraum mündenden Ansaugkanals und des tangential aus dem Kompressionsraum herausgeführten Auspuffkanals an einer Stelle im Kompressionsraum

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aufeinandertreffen. Durch diese Anordnung erhält auch das durch das Auspuffventil abströmende verbrannte Gas "bereits eine Drallbewegung. Der im Kompressionsraum gegen Ende des Auspuffvorganges und zu Beginn des Einlaßvorganges vorhandene Abgasrest macht bereits eine kreisende Bewegung, die das frische Gemisch durch-sein tangentiales Einströmen infolge der neuartigen Anordnung des Ansaugkanals noch verstärkt. Diese Wirbelbewegung kann durch eine Kolbenbrennkammer unterstützt werden, die um eine in· Zylinderlängsrichtung verlaufende Achse rotationssymmetrisch angeordnet ist.

Die Außenwand der Einmündung des Ansaugkanals in den Kompressionsraum kann konkav gebögen sein. In der Biegung unterliegt dann der Kraftstoffluftstrom einer Zentrifugalkraft, strömt infolgedessen an dieser Stelle in verstärktem Maß durch den Ventilspalt und unterstützt so wirksam die Bildung des Wirbels im Kompressionsraum und im Zylinder.

Diese Wirkung läßt sich erfindungsgemäß noch durch eine mäßig spiralförmige Ausbildung der Einmündung des Ansaugkaünals in den Kompressionsraum unterstützen. Dabei ist die Einmündung nur so weit spiralförmig ausgebildet, als es ohne Erhöhung des Strömungswiderstandes oder ohne Einschnürungen oder Querschnitt sver engungen möglich ist. Die Wirbelerzeugung durch die tangentiale Einmündung des Ansaugkanals wird noch durch die spiralförmige Ausbildung des Ansaugkanals-unterstützt.

-i einer anderen Ausführungsmöglichkeit der Erfindung kann

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eine konvex gebogene Innenwand des Ansaugkanals mit ihrer , Projektion in eine Sekante des Ventiltellers eingehen. Auch auf diese Weise läßt sich der durch die tangentiale Einmündung erzwungene Wirbel verstärken.

Insbesondere bei Maschinen mit halbkugelförmigem Kompressionsraum und mit in einem größeren Winkel zur Zylindermitte stehenden Ventilschäften kann es vorteilhaft sein, wenn nach einem weiteren Merkmal der Erfindung der tangential in den Kompres- j sionsraum einmündende Ansaugkanal sich zur Achse des Zylinders in einer senkrechten Ebene erstreckt. So kann die kinetische Energie des im Ansaugkanal strömenden frischen Kraftstoffluftgemisches hauptsächlich durch den Ventilspalt hinter dem Schaft wirksam werden und damit zur Erzeugung des im Zylinder umlaufenden 'Wirbels beitragen.

Bei Anwendung der Überschneidung der Ventilöffnungszeiten kann es vorteilhaft sein, den Auspuffkanal radial aus dem Kompressionsraum -herausZufuhren. Der Sog dep? ausströmenden verbrannten | Gase ist damit auf das Innere des Kokpressicnsraumes gerichtet

und zieht g( (gen Ende des Auspufft aktie s hauptsächlich die rest-

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liehen verbrannten Gase aus der Mitte des Kompressionsraumes ab, während*die frische Ladung größtenteils durch den tangential in den Kompiessionsraum einmündenden Ansaugkanal außen in den Kompressionsraum bzw. in die Kolbenbrennkammer einströmt und dann erst dem Abgassog folgt, so daß praktisch keine frische Ladung verloren gejit· ·

Schließlich kann die Zündkerze zwischen der längeren Innenwand

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des Ansaugkanals und der längeren Innenwand des Auspuffkanals angeordnet sein. So wird das tangential in den Kompressionsraum einströmende frische Gemisch gezwungen, zunächst am Zylinderkopfinneren und dann an dem Auspuffventil vorbeizuströmen, bevor es an die Elektroden der Kerze gelangt. Ein Ablagern von Kraftstoff an den Zündkerzenelektroden ist so praktisch ausgeschlossen.

fe Die Zeichnungen zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung, !ig. 1 die schematische Anordnung der Ansaug- und Auspuffkanäle im Zylinderkopf,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den abgebrochen dargestellten Oberteil des Zylinders muL einen !Teil des Zylinderkopfes,
Fig. 3 einen Schnitt IH-III durch die Fig. 2.

In den Zylinderkopf 1 sind Kompressionsräume 2 eingeformt. In je einen Kompressionsraum 2 mündet tangential ein Ansaugkanal 3 mit einer auf das Kanalinnere hin konkav gebogenen Außenwand 3a-· Sie Einmündung des Ansaugkanals 3 kann auch mäßig spiralförmig ausgebildet sein. Weiter kann die Innenwand 3b konvex gebogen sein und ihre Projektion in eine Sekante des Ventiltellers eingehen. Aus dem Kompressionsraum 2 ist der Auspuffkanal 4- tangential herausgeführt.. Die gedachten Verlängerungen des Ansaugkanals 3 und des Auspuffkanals 4- treffen an einer mit 5 bezeichneten Stelle im Kompressionsraum 2 aufeinander. Der Schaft 6 des Ansaugventils 7 "und der Schaft 8 des Auspuffventils 9 sind im Ausführungsbeispiel nach Fig.

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parallel zur Achse des Zylinders angeordnet. Der Zylinder befindet sich dabei in üblicher Weise unterhalb des Kompressionsraumes 2. Die gestrichtelte Linie 10 deutet eine Kolbenbrennkammer an, die um eine in Zylinderlängsrichtung verlaufende Achse rotationssymmetrisch ausgebildet ist.

In der laufenden Maschine strömt das verbrannte Gas während des Auspufftaktes aus dem Zylinder bzw. dem Kompressionsraum 2 tangential durch den Auspuffkanal 4- ab und gibt damit dem gegen J Ende des Auspufftaktes im Kompressionsraum 2 befindlichen Gas eine rotierende Bewegung. Beim öffnen des Ansaugventils 7 schließt sich das durch den Ansaugkanal 5 mit einer gebogenen Außenwand 3a der Einmündung tangential in den Kompressionsraum 2 einströmende frische Kraftstoffluftgemisch dieser Wirbelbewegung an, die sich im Laufe des Ansaugtaktes mit zunehmender öffnung des Ventils 7 verstärkt. Die Wirbelbewegung des Kraft stoff luftgemisches im Zylinder bzw. im Kompressionsraum 2 kann noch durch eine Kolbenbrennkammer 10 unterstützt werden. Sie ermöglicht es, die Wirbelbewegung; im Zylinder bis in den Kompressionstakt " hinein zu erhalten. Das Gemisch wird gegen Ende des Kompressionstaktes an den Bändern des Kolbens höher verdichtet als in der Kolbenbrennkammer und erhält so noch einen ebenfalls die Neigung zum Klopfen verringernden Impuls in Richtung, auf das Innere des Kompressionsraumes.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind die Schäfte 6 und 8 des Einlaßventils 11 bzw. Auslaßventils 12 im Winkel zur Zylindermittelachse angeordnet. Dadurch ist es möglich, die Köpfe des

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Einlaßventils 11 "bzw. Auslaßventils 12 mit größerem Durchmesser auszuführen. Bei sonst gleichem Ventilhub wird dadurch der Ventilzeitquerschnitt bzw« die Menge des durchfließenden Kraftstoffluftgemisches vergrößert und somit auch die Füllung der Zylinder bei hoher Drehzahl.

Wenn der Winkel, in dem die Ventilschäfte zur Zylindermittellinie stehen, eine Größe wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 hat, oder wenn z.B. ein halbkugelig geformter Kopf für den Zylinder fc benutzt wird, noch größer ist, dann soll der Ansaugkanal 3 möglichst horizontal bzw. im rechten Winkel zur Achse des Zylinders angeordnet sein, damit am Ventilspalt eine große Geschwindigkeitskomponente für die Wirbelbildung zur Verfugung steht.

Der Kolben 13 hat eine Kolbenbrennkammer 14·, die um eine in Zylinderlängsrichtung verlaufende Achse rotationssymmetrisch ist. Der Kompressionsraum 2 wird durch zwei dachförmige, den Kopf flächen der Ventile 11 und 12 in der Steigung folgende bzw. zu ihnen parallele Ebenen und durch eine kegelförmige Fläche 15 f (Fig. 3) begrenzt, die nach oben in ein Gewölbe ausläuft.

Entsprechend wird der Kolbenboden 16 durch eine kegelförmige Fläche 17 begrenzt, die der kegelförmigen Fläche 15 des Kompressionsraumes gegenüberliegt (Fig. 3)· Den dachförmigen Ebenen des Kompressionsraumes liegen dachförmige Flächen 18 des Kolbenbodens 16 gegenüber. Der Spalt zwischen diesen Flächen bzw. Ebenen ist so klein wie möglich und nur gerade so groß ausgeführt, daß er mit Sicherheit einen Ölkohleansatz aufnehmen kann. Bei einer halbkugeligen inneren Begrenzungsfläche des Komi-^essionsraumes befindet sich der Spalt zwischen einer Kugelzone oder Kugelschicht am Rand des Kolbenbodens 16 und

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dem· gegenüberliegenden Teil der halbkugeligen inneren Begrenzungs-• fläche des Kompressionsraumes. Die dem Kompressionsraum zugewandten~ Flächen der Venilköpf e sind dann ähnlich halbkugelig gewölbt wie die innere Begrenzungsfläche des Kompressionsraumes. Die Kolbenbrennkammer kann von einem einzigen erzeugenden Halbmesser gebildet werden, wobei der Schwenkpunkt des Halbmessers auf der verlängerten Mittelachse des Zylinders liegt. Die Bohrung 19 für die Kerze 20 mündet oberhalb und am Rande der Kolbenbrennkammer 14 in den Kompressionsraum. Die Vorteile eines kompakten Kompressionsraumes lassen sich so erfindungsgemäß mit dem einer die Klopfneigung ver- J mindernden Wirbelbewegung im Zylinder gut vereinigen. Die Kerze 20 liegt nach Fig. 3 rechts vom Einlaßventil 11 und zwischen den beiden längeren Innenwänden des Ansaugkanals 3 und des Auspuffkanals 4. Das aus dem Ansaugkanal 3 durch den Ventilspalt hauptsächlich auf der linken Seite des Ventils 11 mit einer Wirbelbewegung eintretende frische Gemisch muß also erst am Inneren des Kompressionsratjmes entlang an dem Auspuffventil 12 vorbeiströmen, bevor es an die Kerze 20 gelangt. Infolgedessen ist es nicht möglich, daß ein mit Kraftstoff übersättigtes frisches Gemisch an den Elektroden derKerse, z.B. beim Anlaßvorgang, Kraftstoff- " tröpfchen abjsetzt und damit das Überspringen des Zündfunkens verhindert, j >

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An den dachförmigen Flächen 18 könne|i Ausnehmungen für die

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Köpfe der vdntile 11 und 12 angebracht sein· Die Ausnehmungen ermöglichen es, daß sich die Öffnungszeiten der Auslaßventile 12 bzw. der ^Einlaßventile 11 überschneiden. Gegen Ende des Auspufftaktes, wenn der Kolben 13 den oberen Totpunkt erreicht hat, kann das Auslaßventil 12 noch of fen und das Einlaßventil 11 schon geöffnet sein. 909833/0221

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Bei kurzhubigen Maschinen kann es notwendig werden, die Kolbenbrennkammer 14· im Durchmesser¹ zu. verkleinern, damit die gewünschte hohe Verdichtung erzielt werden kann. In Grenzfällen ist es infolge der tangentialen Einmündung der Ansaugkanäle 3 möglich, ganz auf den Kolbenbrennraum 14- zu verzichten.

Das frische Gemisch strömt im Betrieb durch den Ansaugkanal 3 ein und wird zum größeren Teil in der Gegend von 22, also in

. Strömungsrichtung betrachtet hinter dem Ventilschaft 6 in den Kompressionsraum eintreten. Infolge der schärferen Umlenkung des Frischgas ströme s bei 21 strömt an der rechten Seite (Pig. 2) des Kopfes vom Einlaßventil 11 nur eine kleinere Menge frisches Gemisch ein, so daß im Kompres.-Xeirtsraiim eine rotierende Bewegung des Frischgases entsteht, die sich beim Abwärtsgang des - Kolbens 13 weiter verstärkt und bis in den Kompressionstakt anhält. Nähert sich der Kolben 13 seinem oberen Totpunkt, dann wird, von den Flächen 17 (Fig. 3} bzw. 18 (Fig. 2) das frische Gemisch schneller und höher verdichtet als in der Kolbenbrennkam»

P mer 14-, so daß dadurch nochmals eine kräftige Verwirbelung des komprimierten Gemisches stattfindet. Infolge dieser lang - vom Beginn des Ansaugtaktes bis zum Ende des Kompressionstaktes andauernden Wirbelbewegungen des frischen Gemisches ist die Verteilung von Kraftstoff und Luft in der Zeit vor der Zündung durch die Kerze sehr gleichmäßig und Klopferscheinungen trotz sehr hoher Verdichtung ausgeschlossen. Die Füllung und Verbrennung erfolgt bis in den oberen. Brehzahlbereich* mit sehr gutem Wirkungsgrad und es ergibt sich ein geringer Kraftstoffverbrauch bei hoher Leistung der Maschine.

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Claims

JP 1102 Gz/B. II 17.7.1968

Patentansprüche

· KoIbenbrennkraf tmaschine mit Zeitpunktfremdzündung, bei der der Ansaugkanal tangential in den Verdichtung sr aum mündet , dadurch gekennzeichnet, daß die gedachte Projektion des Ansaugkanals (3) auf die Dichtebene zwischen dem Zylinderkopf (1) und dem Zylinderblock im spitzen Winkel von der Dichtebene zwischen dem Zylinderkopf (1) und dem Ansaugkrümmer ^ zum Ventilsitz führt und daß sich im oberen Totpunkt eine ™ vorzugsweise kugelzonenförmige Fläche (1?» 18) des Kolbenbodens (16) bis auf einen Spalt einer entsprechend geformten Fläche (15) des Verdichtungsraumes (2) nähert und eine vorzugsweise von einem einzigen erzeugenden Halbmesser gebildete, zum Arbeitszylinder gleichachsige Kolbenbrennkammer (14) einschließt.
2. Brennkraftmaschine nach"Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß gedachte Verlängerungen des tangential in den Kompres- d sionsraum (2) mündenden Ansaugkanals (3) und des tangential aus dem Kompressionsraum herausgeführten Auspuffkanals (4-) an einer Stelle (5) im Kompressionsraum aufeinandertreffen.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch Λ oder 2, gekennzeichnet durch, eine auf das Kanalinnere hin konkav gebogene Außenwand (3a) der Einmündung des Ansaugkanals (3) in den Kompressionsraum (2).

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Neue Unterlagen (Art. 7 § l Abs. 2 Nr. I Satz 3 des ÄnderunflSfliBS. v. 4,9.196

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4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine mäßig spiralförmige Ausbildung der Einmündung des Ansaugkanals (3) in den Kompressionsraum (2).
5· Brennkraftmaschine nach~Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine konvex gebogene Innenwand (3b), deren Projektion in eine Sekante des Ventiltellers eingeht.
6. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der in den P Kompressionsraum (2) tangential einmündende Ansaugkanal (3) sich zur Achse des Zylinders in einer senkrechten Ebene erstreckt.
7- Brennkraftmaschine mit Überschneidung der Ventilöffnungszeiten des Ansaugveritils und des Auspuffventile nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen radial aus dem Kompressionsraum (2) herausgeführten Auspuffkanal (4).
8. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkerze zwischen der längeren Innenwand (3b) des Ansaugkanals (3) und der längeren Innenwand (4b) des Auspuffkanals (4) angeordnet ist.

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