DE1576031A1 - Anordnung eines rotationssymmetrischen Brennraums im Kolben eines 4-Takt Verbrennungsmotors - Google Patents

Description

OIpi.-ing.R.Beetzu.

■-M&iGien 22» Steinidorfstr. 10

233-12.439P(12.440H) 26.5.19b7

Ustav pro vyzkuin motorovycli vozidel, Prag (ΐsehechoSlowakei)

Anordnung eines rotationssymmetrischen Brennraums im Kolben eines 4-iEakt Verbrennungsmotors

Gegenstand der Erfindung ist die Anordnung eines an, sich, bekannten rotationssyminetrischen Brennraumes im Kolben eines 4-iEakt Verbrennungsmotors, in dessen Zylinder die angesaugte Verbrennungsluft in eine um seine Achse kreisende Bewegung versetzt ist und zwar durch an. sich bekannte Mittel, vor allen durch eine geeignete Ausbildung des Saugkanals und seiner Ausoündung in. den Sitz seines Tent ils.

Aus der Patentliteratur und der Praxis sind verschiedene Arten von Beschleunigung der kreisenden Luft'oewegung in Kolben-Brerjnräumen bekannt. Eine solche Beschleunigung, die das üblichste Kittel zur Leistungssteigerung der Motoren darstellt, lä.Tt sich ineistonr dadurch erzielen, daß bereits im Saugkanal die EintrittßgsociiviiiKligkeit der in den Zylinder angesaugton luft erhöht wird, z.B. durch eine singerjesscuG Drosselung der aus dem iJaugkanal in den Ventilsitz einströmenden Luft. In diesen bekannten lallen pflegt der rotal-ionns/Liueiji

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Verbrennungsraum im Kolben entweder zentrisch um die IColbeuachse, oder exzentrisch, um eins zu diese]:¹ parallelen Achse ange ordnet zu sein. Eine derartige exzentrische Anordnung des 33renn raunes gegenüber der Kolben- bzw. Zylinderachse ist li?.uptsäcL-lieh bei EonstruktionGlösunken am Platze, welclie eins lokale Uärmeüberlastung des Zylinderkopfbodens und anschließend Risse zwischen den Ventilen und der Bohrung für die Düce ausschließen sollen. Deshalb wird gewöhnlich die Einspritzdüse für den Kraftstoff zur IIolben-Zylinder-Achse exzentrisch angeordnet, womöglich in gleichen Abständen von beiden Ventilsitzen und senkrecht zu einer Verbindungslinie zwischen den v'entilachsen. In einem sole! η l^?alle liegt dann üblicher "i/eise din Achse des rotationssymiietrischen Brennraumes in einer durch die Achsen des EoIbenr; und der Einspritzdüse gegebenen Ebene und zwar zwischen diesen entweder parallelen., oder sich schneidenden Achsen. Der Grund für diese Lage ist in dem Bestreben zu suciien, Abweichungen von der Symmetrie eier IZraft-' Stoffeinspritzung so l-:lein wie nöglich und die freien ^trahll^ng der Ilraftstoff strahlen angenähert gleich zu halben, -.-/omit sin möglichst rasches Durchbrennen des Eraftstoffgemischs und dadurch ein KöcLstmii"' an YerL-rerrnungsgüte aicLsrgestollt i.^t.

jiiue nur ermittige Aüo-:-duung der Dincpritzdllse i,"t nolbstrerstLLndlich nur bei s'.;oiventiligen 4-2akt-i.otoren möglich, und Lat zu7: Polge, da.- das Dü^enende mic den Ausspritzöffnungen aus lern Boden des Zylinderkopfes herausragt und voi: kreisenden

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Luftstrom umspült wird. Hat nun dieses Düsenende (Düsenzäpfchen) an seinem lirafang gleichmäßig verteilte Ausspritzöffnungen, so ist dann die Strömungsrichtung der angesaugten Verbrennungsluft einigen dieser Öffnungen und iiiren Kreisstcffstrahlen entgegengerichtet. Deshalb kommt es dann zu einem unerwünschten Verwehen lizu. "Aufstauchen" einiger Eraftstoffstraiilen und damit su einer einseitigen !Carbonisierung des Düsenendes in Sichtung der Luftströmung ("Bartbildung¹¹ am Düsensäpf clien), namentlich weh einem längerai IIotor-Letrieb bei l'eillast. Die zunehmende Carbonisierung des Düeenendes führt im laufe der Zeit zu einer Verstopfung der betroffenen Düsenöffnungen und beeinträchtigt die Lebensdauer der Düse, von einer zunehmenden Verschlechterung der νerbrenrungsÖkonomie ganz abgesehen. Je intensiver die Luftströmung im Thunder ist, desto größer ist ihre v.irkung auf üie Karbon- oder Koksbildung an einer <*«.■— jrmittig untergebrachten kehrloclxdüse mit gleichnamig aufgeteilten Ausspritzöffnungen vor allem bei einer Zylinderkopf--Xonstrulztion, bei welcher der Ancaug- und Auspuff-Iluual auf :.er einer; mud. die KraftstoffEUfulir auf der anderer; Gelte des .'3;;linderkopie>s angeordnet sind.

Iüinigerna^r"en vorteilhafter irt in Clieser EeaieliUiig die Anordnung Lq.b .,n^aiiglcanals unJl -Iv.: JiiuGpritsu'se aaf eier eiix^ii und des Auepuffkan&.ls auf dü^ -,^. lz::z:- I^oto-■:■"-^ "."io , zo dar cla-i l)ür:GKendG (DUii^Düapfchen) nicht ::^:.::;.; I^ ι A ~'-δ €■?.': k'ikleü a^g

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saugten Luft liegt, sondern gegenüber diesem lufteintritt angenähert um 1oO° am Umfang des Zylinders versetzt ist.

Diese an sich "bekannte Anordnung von Ansaugkanal und Einspritzdüse auf einer Hotorseite erlaubt im Sinne der Erfindung noch eine sehr vorteilhafte außermittige Anordnung der Achse des Brennraumes gegenüber der Korbenachse und dieser gerade entgegen der Pachtung der Ausmündung des Ansaugkanals.

Die Erforschung der Einströmung angesaugter Verbrennungsluft in den Zylinder durch ein außermittiges Einlaßventil und deren Überscimb in den Brennraum im Kolben während seines Terdichtungshubes zeigt an. speziellen Meßvorrichtungen eindeutig auf, daf. es weder im Zylinder, noch im rotationssymmetrischen. Kolbenbrennraum jemals zu der von Theoretikern vorausgesetzten "Potentialströmung" kommt, von der sich erwarten ließe, daß man a.E. durch eine Einschnürung der tJberströmöffnung des BrennrauneD eine merkliche Erhöhung de?: Umfangsgeschwindigkeit der Luftkrei^un^ in diesem Brennraum erreichen könnte. Die loreschung bewies vielmehr, daß bei der Lufteinströmung in den Zylinder aus dem außermittigen Ansaugventil bereits eine spiralförmige Einströmung der luft in eine Wirbelzone über dem Kolben stattfindet, deren Achse gegenüber der Zylinderachse eini{-,erua;:en versetzt ist und zwar entgegen der Richtung der Ausmimdung des Saugkanals.

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Die Umfangs ge s cliwindi gke it der angesaugten Luft am Rande dieser Wirbelzone ist direkt verhältig der Luftgeschwindigkeit im offenen Saugventil, gegebenenfalls im Saugkanal vor seiner Einmündung in den Ventilsitz. Wenn die Achse dieser.außermittigen Wirbelzone mit der Achse des rotationssymnetrischen Brennraumes im Kolben zusammenfällt, kann man in diesem Brennraum eine an seinem Umfang gleichmäßige und maximale Winkelgeschwindigkeit der Iiuftkreisung erreichen. Die Erklärung für diese Erscheinung müssen wir in dem Einfluß einer direkten Lufteinströmung aus dem Saugventil in den Brennraum auf die Luftkreisung in ihm schon während des Ansaughubes suchen, wenn die angesaugte Luft keine Möglichkeit hat, sich auf dem glatten Kolbenboden - ohne Ventilausnehmungen ! - in logarithmische Stromlinien in Richtung zum Mittelpunkt der außermittigen Wirbelzone auszurichten.

Diese Erkenntnis bildet den Kern der-Erfindung, \*onach man durch eine außermittige Anordnung eines rotationssyuuetrischen Brennraumes im Kolbenboden gegen den Sinn des Lufteintritts in den Zylinder die optimalen Bedingungen für eine vollkommene Verbrennung des Kraftstoffgemisches sowohl hinsichtlich des Mitteldruckes auf den Kolben, als auch der Rauchfreiheit der Auspuffgase erreicht.

Die Anwendung der Erfindung erleichtert - wie bereits erwähnt - die symmetrische Unterbringung einer Mehrlochdüse,

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deren Ausspritzöffnungen, am Umfang ihres Zäpfchens gleichmäßig verteilt sind, in einem außermittigen Brennraum, -wenn der Saugkanal und die Einspritzdüse gemeinsam auf der einen Iiotorseite angeordnet sind.

- Ebenso gev/ährt die ürfladung bei einer Konstruktion des Zylinderkopfes, bei welcher der Ansaug- und Auspuffkanal auf der einen und das Einspritzventil auf der Gegenseite untergebracht sind, eine Verbesserung der Verbrennungsbedingungen durch eine Steigerung und Ausrichtung der Luftströmung im Brennraum. Der Brennraum ist in diesem Falle auf an sich bekannte tfeise für eine Kraftstoffeinspritzung hergerichtet, die - aber nicht symmetrisch - nur in eine seiner Hälften erfolgt und dies ausschließlich in Sichtung der Lufteinströuung. Das grundsätzliche Kennzeichen einer solchen Anordnung τοη Einspritzventil, Saugkanal und Brennraum sind nach der Erfindung: die außermittige Anordnung :1er Einspritzdüse aus der Zylinderachse heraus in. liiclitung und direkt mitten in den Luftstrom, der aus dem Saugventil in den Zylinder eintritt - die außermittige Anordnung des rotationssymmetrischen Brennraumes aus der Zylinderachse heraus in umgekehrter dichtung, d.h. entgegen dem Sinne der Ausmündung von Ancaug- und .auspuffkanal - und die Benutzung einer Einspritzdüse, deren Ausspritzöffnungen ausschließlich auf der dem Saugventil abgewandteu Seite derart untergebracht sind, daß der gesamte Kraftstoff im Sinne der

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lultkreisung im Brennraum nur in die eine Hälfte dieses außermittigen Bremiraumes gespritzt wird.

Hit Hilfe dieser an sieb, bekannten Art der Kraftstoffeinspritzung läßt sich niclit nur eine klopf freie, sondern auch rauchfreie Verbrennung bei erhöhter Leistungsfähigkeit des Kotors erreichen, weil die außermittige Anordnung des Brennraumes im Sinne dieser Erfindung die Gleichmäßigkeit und Umfangsgeschwindigkeit, der luftströmung im Brennraum steigert und dies bis zu einem bei der gegebenen Konstruktion des Saugkanals erreichbaren Kasianuii. Und eine dieser gesteigerten laufgeschwindigkeit angepaßte Verkürzung der Einspritzzeit des Kraftstoffs aus der Düse ermöglicht dann eine letzte Kögliche Steigerung der Motorleistung.

Zum besseren Verständnis dienen die beigefügten Zeichnungen, in denen folgende Abbildungen die konkreten Anordnungen im Sinne der Erfindung darstellen:

Die Abbildung 1 zeigt schemstisch die Draufsicht auf den Zylinderkopfboden 1 einer üblichen Konstruktion, bei der sowohl die Einspritzdüse 2 (siehe + b) ia Zylinderkopf, als aucli der Brennraum in Kolben (siehe + a) so außermittig iis gleichen Sinne (+) angeordnet sind, da? es nicht zu Fassen Iq ZylinderlmpiTboden zwischen der Einspritzdüse 2 und den Ventilsitzen des Säugventils 5 und des Auspuffrentils ν kopien

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kann. Die "zersetzung b der Einspritzdüse 2 pflegt dann größer als die Versetzung a des Brennraumes zu sein, damit der Kolben, nicht v/ärmemä.'iig allzu einseitig angestrengt sein, was der AnIa? eines einseitigen Festklemmens seiner Kolbenringe sein könnte. Die Öffnung 5 des Brennraumes ist hier "stricliliert" nur in der Projektion auf den Kopfboden des Zylinders 6 angedeutet. Die Umrisse des Saugkanals 7 und des Auspuffsignals S sind im Schema ebenfalls strichliert eingezeichnet. Die dichtung der in den Zylinder einströmenden Luft ist mit Pfeilen 9 gekennzeichnet, die aus dein Saugventil SV ausmünden. Aus der] Ende (Zäpfchen) 10 der Einspritzdüse stammen die Kraftstoffstrahlen, deren Achsen 11 im gegebenen Beispiel derart verteilt cind, dsf die -Strahlen (bei voller Belastung) in angenähert gleichen. Abständen auf den Umfang der Irennraumauftreffen.

Bas Beispiel in der Abb. 1 stellt eine Anordnung dar, bei der sich die Einspritzdüse und das Auspuffventil AV, bzw. sein Kanal auf ler einen Seite des Zylinderkopfes das Ansaugventil jedoch auf der entgegengesetzten Seite befinden, was den Konstruktionen vor allem luftgekühlter Zylinderkopfe entspricht.

Bei diesen Typen von Zylinderkopfen ist aber auch bereits 2ine Anordnung des Saugks.nals 7 und der Einspritzdüse 2 uuf der einen und des Auspuffkanals 8 auf der anderen oeite des

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Zylinderkopfes (im Strömungssinne der Kühlluft) bekannt, in welchem !Falle aber die Öffnung 5 und der Brennraum zur Achse des . Kolbens bzw. des Zylinders zentrisch und die Einspritzdüse einigermaßen geschützt vor der direkten Einwirkung der kühlen Ansaugluft aus dem Saugventil und zwar durch eine Versetzung (s. -b) entgegen dem Sinne der Lufteinströniung in den Zylinder angeordnet sind. Biese Verhältnisse sind in der Abb. 2 dargestellt, in der die einzelnen Merkmale durch die gleichen Bezugszeichen wie in Abb. 1 gekennzeichnet sind.

Erst aus der Abb. 3 wird der Gegenstand der Erfindungrichtig deutlich, wie er aus der Forschung der Einströmung angesaugter Luft über ein außermittiges Ventil am Rcnde des Zylinders hervorgeht. Durch die Versetzung des Säugventils tritt nämlich ebenfalls eine Verlagerung der Wirbelzone rund um das Zentrum der logarithmischen Stromlinien im Zylinder ein, welche Verlagerung sowohl durch die Lage des Saugventils - « und die Form des Ansaugkanals als auch durch die maximale Luftgeschwindigkeit im offenen .Saugventil bestimmt ist. Deckt sich nach der Erfindung der Mittelpunkt der Wirbelzone vom Durchmesser d wenigstens angenähert mit der Achse des rotationssyimaetrischen Brennraumes (bei verschiedenen Drehzahlen verschieden), dann ist es möglich, die höchste passende Winkelgeschwindigkeit der Luftkreisung im Brennraum zu erreichen, weil diese von allen störenden unsymmetrischen Lufteinströniungen während des Verdichtungshubes des Kolbens befreit ist.

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Das Beispiel in Abb. 3 zeigt beide Ventile ST und AY auf der einen und die Einspritzdüse 2 auf der anderen 3eite des Zylinderkopfes für einen oder mehrere Zylinder C (bei wassergekühlten" Kotoren). Der Brennraum und seine öffnung 5 sind dann auf der gleichen Seite angeordnet, wie -das Ansaugventil (hiei^uch

sich
Auspuffventil), (s. -a), während/die Einspritzdüse 2 mit ihrem Ende 10 auf der Gegenseite des Zylinderkopfes am Rande der Brennraumöffnung 5 (s. +b) befindet. Das Düsenende IG liegt hierbei direkt im utrora der angesaugten Verbrennungsluft, aber seine Kraftstoff strahlen 11 sind ausschließlich iia Sinne dieser Luftströmung (s.Stromlinien 3) ausgerichtet und zwar nur in eine Brennrauahälfte, so daß es selbst bei lang andauernder Teillast des Motors zu keiner Karbonbildung an der Kappe 10 der Einspritzdüse kommen kann. -

Die Anordnungen der Ventile, der Düsen und des rotationssyrametrischen Brennraumes im Sinne der Erfindung eignen, sich ganz besonders für Kotorumbauten, bei denen ohne grö°ers wesentliche konstruktive zusätzliche Änderungen eine klopffreie und rauchfreie Verbrennung geschaffen werden soll, auch wenn Ventile und Einspritzdüse nach Abb. 1 angeordnet sind.

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Claims (2)

1^/6031 - 11 Patentansprüche

1. AnOrdnung eines rotationss^-mmetrischen Brennraunes im IColben eines • !--^aict-Verbrennungsmotors, bei v.^rolchsn sich im oberen j)otpuul:t des ivOlbene nahezu die gesamte über ein außermittiges AnüLvagventil angesaugte Verbrennungsluft in diesem Brennraum ■befindet, wobei diese luftfüllung du::cli an sich "bekannte 1-Iittel iE Zylinder in LeiCtige Drciran^; ui^ Beine lclise rersetat ist, ■Ι ε d u :: c Ii g e 1: e η η a e i c Ii η s t, dap der Srennraun und seine Terbindungscffnuug (5) uit dem Eauu ia Zs^linder (6) geger/ober dessen Achse ausschlie. lieh gegen den Sin Stroms inn der Verbrennungsluft in den Zylinder versetat sind, vcbei der Kraftstoff gleicliuä.Tig aus einer im selben Sinne versetzten Ilrlr-loclidüse (2) eingespritzt wird.

2. In Ordnung- nach Anspruch 1, dadurch gekennseiclinet, da" die Einspritzdüse (2) im Sinne der lufteinstrouung in den Zylinder (6) rersetat ist und sämtlichen Kraftstoff ausschliefIiet in die voia Saugventil (SY) abgewandte Hälfte des Brennraumes in Richtung der Luftlcreisung in iiiu einspritzt.

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