DE1922026A1

DE1922026A1 - Semiexterne Verbrennung,insbesondere fuer Ottomotoren

Info

Publication number: DE1922026A1
Application number: DE19691922026
Authority: DE
Inventors: Fracke Dr Karl
Original assignee: FRACKE DR KARL
Current assignee: FRACKE DR KARL
Priority date: 1969-04-30
Filing date: 1969-04-30
Publication date: 1970-11-05

Description

Lr. liiarl Fracke,Düsseldorf

Semiexterne Verbrennung insbesondere für Ottomotoren durch DiroM--'-T*anm mit Dmllcittor und Aucl3.cnvcntil

Leistungssteigerung und Verbesserung des Wirkungsgrades sind nicht mehr das Ziel der heutigen Ottomotorenentwicklung, sondern Beseitigung der giftigen Abgase (Emission) dieser Motoren. Durch Brennraumverbesserungen und durch Zusatzgeräte für bessere Gemischbildung und für Nachverbrennung hinter dem Auslassventil wurde zwar die Emission verringert, aber nicht so verbessert, daß der Ottomotor auch in Zukunft mit den extern verbrennenden Kraftmaschinen konkurrieren kann.

Es ist bekannt, daß der^rennstoffniederschlag an der Zylinderwand zur Gewährleistung der Kolbenringschmierung intensiv gekühlt werden muß, das Hauptübel der Emission ist, da der Brennstoff nicht oder nur unvollkommen verbrannt vom Kolben ausgestoßen wird.

Die Erfindung der "Semiexternen Verbrennung" im Kugelzonen-Brennraum mit Direkteinspritzung während des Verdichtungshubes verhindert den Brennstoffniederschlag an der Zylinderwand und auf dem Kolben, da Zylinder und Kolben nur mit der reinen Verbrennungsluft aus dem Einlaßventil und mit den Verbrennungsgasen aus dem Kugelzonen-Brennraum in Berührung kommen. Hinzu kommt, daß das Drallgitter im Kugelzonen-Brennraum eine Turbulenz erzeugt, die die Gemischbildung und den Verbrennungsvorgang begünstigt. Das nicht zu übertreffen günstige Flächen-Volumen-Verhältnis dieses Brennraums, der kurze Flammenweg und die regenerative Wirkung des Drallgitters und des Auslaßventils sind weitere

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Verbesserungen, um eine vollkommene Verbrennung zu erreichen.

Das Auslaßventil wird ebenso wie das Drallgitter durch die verdichtende Luft und ersteres noch zusätzlich durch die Verdunstung des einspritzenden Brennstoffs intensiv gekühlt, so daß ein überhitztes Auslaßventil nicht mehr ungewollte Frühzündungen hervorrufen kann. Daher kann das Verdichtungsverhältnis erhöht werden und doch Normalkraftstoff ohne Klopfgefahr verwendet werden. Da dann die größtenteils giftigen Antiklopfmittel., die ebenfalls zur Emission beitragen, fortfallen, ist eine, weitere Emissionsquelle vermieden. Der kurze Flammenweg und der ge- " ringer e Zündverzug infolge der höheren Temperatur des Brennstoff gemisches durch die regenerative Wirkung und die höhere Verdichtung ermöglichen die Zurückstellung der Frühzündung, wodurch der Spitzendruck und damit die Beanspruchung des Triebwerkes und der .Reibungsdruck niedriger werden, so daß der Gesamtwirkungsgrad des Motors verbessert wird.

Die Stege des eingeschraubten Drallgitters zwischen Zylinder und Kügelzonen-Brennraum können sehr dünn gehalten werden, da sie durch die verdichtende Verbrennungsluft gekühlt werden. Dadurch wird der Zeitquerschnitt (immer offen) so groß, daß die mittlere Luft- und Gasgeschwindigkeit 40 bis 50 m/s nicht überschreitet. Die Drosselung ist bei dieser Ge,- · ) schwindigkeit vernachlässigbar klein, so daß selbst der dreifache Durchgang (Verdichtung, Expansion und Auspuff) den Wirkungsgrad des Motors nicht nennenswert verschlechtert. -■ : .-

Der unvermeidliche Totraum zwischen Kolben und Zylinderkopf und im Drallgitter sind kein Nachteil, da es reine, gespeicherte Frischluft ist, die die Verbrennung der im Brennraum nicht vollständig verbrannten Brennstoffteilchen gewährleistet, u*& im Gegensatz zur Nachverbrennung hinter dem Auslaßventil Arbeit leistet und trotzdem die Emission verhütet.

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Die viereckigen Löcher oder länglichen Schlitze im Drallgitter können durch entsprechende Steigung jeden gewünschten Wirbel mit entsprechender Turbulenz erzeugen, die für gute Gemischbildung und bessere Verbrennung Vorbedingung ist.

Der Kugelzonen-Brennraum mit Drallgitter und Auslaßventil ist ebenso vorteilhaft für den Dieselmotor, der schon an sich emissionsmäßig günstiger liegt, aber die Gemischbildung ist beim Dieselverfahren noch mehr auf Turbulenz im Brennraum angewiesen, die durch das Drallgit-, ter in vollkommenster Weise erreicht wird.

Für Ottomotoren sind Verdichtungsverhältnisse von 9 : 1 bis 11 : 1 am günstigsten, weil eine hohe Verdichtung nicht nur thermodynamisch vorteilhafter ist, sondern weil außerdem die Bauhöhe des Auslaßventils gegenüber dem Einlaßventil verringert wird. Für Dieselmotoren dagegen sind Verdichtungsverhältnisse von 14 : 1 bis 15 : 1 vorzuziehen, da der Reibungsdruck bei höheren Verdichtungen größer ist als der thermodynamisehe Gewinn. ·

In der beiliegenden Zeichnung Fig. 1 ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung im Längsschnitt die Anordnung des Kugelzonen-Brennraums im Zylinderkopf eines weltbekannten Vierzylinder-Boxermotors dargestellt, Verdichtungsverhältnis 8,7 : 1.

1 ist ein Außenzylinder mit Zylinderkopf, 1 a und 2 ist der Kolben. Das Einlaßventil 3 ist wie üblich im Zylinderkopf 1 a angeordnet, während das Auslaßventil 4 die obere Fläche des Kugelzonen-Brennraums 5 bildet. Das eingeschraubte Drallgitter 6 bildet die untere Fläche der Kugelzone und ist die Verbindung zum Zylinderraum. 7 ist die Zündkerze, 8 die Einspritzdüse und 9 eine Abfassung am Drallgitter, die als Fangrille für den

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beim Kaltstart eventuel an der Brennraumwand kondensierenden Brenn- . stoff dient., damit er nicht an der vom Kolben bestrichenen Zylinderwand herunterlaufen kann.

Fig. 2 zeigt die Innenansicht des Zylinderkopfes 1 a. 3 ist das Einlaßventil und 6 die eingeschraubte Drallplatte mit den viereckigen Drallöchern 6 a. Die Stege dieser Löcher sind auf beiden Seiten der Drallplatte kurvisch auslaufend, um Ein- und Austritt aerodynamisch günstig zu gestalten, so daß die Drosselung verringert wird. 7 zeigt die Anordnung der Zündkerze, die auf die Drallrichtung bezogen vor der Einspritzdüse 8 ψ sitzt.

Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel mit zwei Einlaßventilen 3 a und 3 b je Zylinder. Das Drallgitter 6 zeigt nur schematisch dargestellt verschiedene Ausführungsformen der Drallschlitze 6 b und 6 d mit Mittenloch 6 c. 4 ist das am oberen Ende des Kugelzonen-Brennraums 5 sitzende Auslaßventil

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Claims

■PA T ENTANS BRÜCHE

emiexterne Verbrennung insbesondere für Ottomotoren durch Direkt-/einspritzung während des Verdichtungshubes in den Kugelzonen-Brennraum mit Drallgitter und Auslaßventil dadurch gekennzeichnet, daß Kolben und Zylinder nur mit der reinen Verbrennungsluft, die durch das Einlaßventil einströmt und mit den Verbrennungsgasen aus dem Kugelzonen-Brennraum in Berührung kommen, so daß kein Brennstoffniederschlag am Kolben und an der Zylinderwand erfolgen kann, der - da er nur teilweise oder gar nicht verbrennt - hauptsächlich die Emission verursacht.
2) Kugelzonen-Brennraum nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelzone an der Zylinderseite durch das eingeschraubte Drallgitter und an der entgegengesetzten, oberen Seite durch das Auslaßventil gebildet wird.
3) Kugelzonen-Brennraum nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß das Drallgitter durch viereckige Löcher oder längliche Schlitze mit dünnen Stegen gebildet wird. Die Steigung und Anordnung der Löcher oder Schlitze wird so gewählt, daß die verdichtende Luft einen Potentialwirbel gewünschter Winkelgeschwindigkeit und Turbulenz erzeugt, in die der Brennstoff in bekannter Weise eingespritz wird. Wirbel bzw. Turbulenz sind so zu wählen, daß der Durchgang der Verbrennungsgase in den Zylinderraum und das anschließende Ausstoßen über das Auslaßventil nicht unnötig gedrosselt werden.

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4) Kugelzonen-Brennraum nach Anspruch 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Stege des Drallgitters auf beiden Seiten des Gitters kurvisch auslaufen, um den Strömungswiderstand der Stege zu verringern und um Ein- und Auslaß je Loch oder Schlitz aerodynamisch günstig zu gestalten, so daß die Dorsselung durch das Gitter vernachlässigbar klein wird.
5) Kugelzonen-Brennraum nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkerze bezogen auf die Wirbelrichtung vor der Einspritzdüse angeordnet ist, so daß sie vom einspritzenden Brennstoff nicht

" benetzt wird.
6) Drallgitter nach Anspruch 2, 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, daß das Drallgitter aus warmfesten Material· mit vorzugsweise eingegossenen Löchern oder Schlitzen gefertigt wird, um zu vermeiden, daß die Steigung oder Anordnung derselben und die Form der Stege durch Bearbeitungsmöglichkeit beeinträchtigt oder bestimmt werden.,

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