DE19815919B4 - Zweitakt-Motor - Google Patents

Abstract

Zweitaktmotor, insbesondere Zweitakt-Großdieselmotor, mit wenigstens einem Zylinder (1), der einen Zylindermantel (2) und einen auf diesem aufgenommenen Zylinderdeckel (3) aufweist und einen durch einen im Zylinder (1) verschiebbar angeordneten Kolben (5) veränderbaren Brennraum (4) enthält, wobei der Zylinderdeckel (3) einen zentralen, durch wenigstens ein Ventil (7) kontrollierbaren Abgasauslaß (6) und radial außerhalb hiervon eine vorzugsweise als wenigstens ein Einspritzventil ausgebildete Brennstoffzuführeinrichtung (8) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite des Kolbens (5) eine zentrale kuppelförmige Erhöhung (14) aufweist, dass der im oberen Totpunkt des Kolbens (5) sich ergebende Brennraum (4) umfangsseitig zumindest nahezu auf seiner ganzen Höhe durch eine konische, zum Abgasauslaß (6) hin konvergierende, unmittelbar an die Zylindermantelfläche (12) anschließende Fläche (10) begrenzt ist und dass die Brennstoffzuführeinrichtung (8) im Bereich der konischen Fläche (10) angeordnet ist sowie jedes Einspritzventil eine Haupteinspritzrichtung aufweist, die gegenüber einer Tangente an einen zur Zylinderachse konzentrischen, durch die Achse des Einspritzventils gehenden Teilkreis um...

Description

• Die Erfindung betrifft einen Zweitakt-Motor, insbesondere Zweitakt-Großdieselmotor, mit wenigstens einem Zylinder, der einen Zylindermantel und einen auf diesem aufgenommenen Zylinderdeckel aufweist und einen durch einen im Zylinder verschiebbar angeordneten Kolben veränderbaren Brennraum enthält, wobei der Zylinderdeckel einen zentralen, durch wenigstens ein Ventil kontrollierbaren Abgasauslaß und radial außerhalb hiervon eine vorzugsweise als wenigstens ein Einspritzventil ausgebildete Brennstoffzuführeinrichtung enthält.
• Ein Zweitakt-Großdieselmotor dieser Art ist aus der DE 691 02 656 T2 bekannt. Hierbei besitzt der Kolben eine zentrale, muldenförmige Vertiefung mit vergleichsweise großer Tiefe und Weite. Um ein möglichst kleines Volumen des Brennraums im oberen Totpunkt des Kolbens zu erreichen bzw. ein vorgegebenes Volumen dieses Brennraums nicht zu überschreiten, muss der obere Totpunkt des Kolbens dabei so hoch liegen, daß sich nur noch ein geringer Höhenabstand zwischen dem Randbereich der muldenförmigen Vertiefung und der oberen Brennraumbegrenzung ergibt. Die Einspritzdüsen sind dabei vergleichsweise weit radial außen angeordnet, so daß nur wenig Brennstoff in den mittleren Bereich der muldenförmigen Vertiefung gelangt. Die Hauptverbrennungszone, in der die Verbrennung beginnt, liegt daher nicht im Zentrum der muldenförmigen Vertiefung, sondern radial außerhalb hiervon, wo der Abstand zwischen der Kolbenoberseite und der oberen Brennraumbegrenzung nur vergleichsweise klein ist. Es ergibt sich daher eine vergleichsweise starke thermische Beanspruchung dieser Bauteile. Dem wurde bisher durch eine Steigerung der Hitzebeständigkeit des Material Rechnung getragen. Diese Möglichkeiten sind jedoch erschöpft, was eine Leistungsbegrenzung bedeutet.
• Die US-A 4 872 433 zeigt einen Zweitakt-Dieselmotor mit einem Kolben, der mit einem zentralen, sockelförmigen Aufsatz versehen ist, der sich über einen ebenen Ringbereich der Kolbenoberseite erhebt. Der Zylinderdeckel ist mit einem Keramikeinsatz versehen, der eine torusförmige Ausnehmung aufweist, in die der sockelförmige Aufsatz des Kolbens im oberen Totpunkt einfährt und in die den Einspritzdüsen zugeordnete radiale Ausnehmungen einmünden. Eine zuverlässige Kühlung des sockelförmigen Aufsatzes des Kolbens ist sehr schwierig. Der Keramikeinsatz erfordert zudem einen hohen Aufwand.
• Die US-A 1 692 150 zeigt eine Zweitakt-Brennkraftmaschine mit Lufteinlassschlitzen und diesen gegenüberliegenden Abgasauslassschlitzen, die durch den auf- und abgehenden Kolben gesteuert werden. Über dem den Kolben aufnehmenden Zylinderraum ist eine zusätzliche Verbrennungskammer vorgesehen, die mit dem Zylinderraum über einen von einer umlaufenden Einschnürung begrenzten Durchgang in Verbindung steht. Die Seitenflanken der Einschnürung sind nach radial innen konvergierend gegeneinander angestellt, so dass sich eine konische, obere Begrenzung des Zylinderraums ergibt, deren Neigung etwa gleich der Neigung der kegelstumpfförmig ausgestalteten Kolbenoberseite ist. Der Kolben dringt hier nicht in die oberhalb des Zylinderraums vorgesehene Verbrennungskammer ein. Die oben geschilderte Problematik stellt sich hier daher nicht.
• Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Zweitakt-Motor eingangs erwähnter Art so zu verbessern, daß sich in der Hauptverbrennungszone vergleichsweise große Abstände zwischen der Kolbenoberseite und der oberen Brennraumbegrenzung ergeben, ohne daß sich das Volumen des Brennraums im oberen Totpunkt des Kolbens nennenswert erhöht.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Oberseite des Kolbens eine zentrale kuppelförmige Erhöhung aufweist, daß der im oberen Totpunkt des Kolbens sich ergebende Brennraum umfangsseitig zumindest nahezu auf seiner ganzen Höhe durch eine konische, zum Abgasauslaß hin konvergierende, unmittelbar an die Zylindermantelfläche anschließende Fläche begrenzt ist und daß die Brennstoffzuführeinrichtung im Bereich der konischen Fläche angeordnet ist sowie jedes Einspritzventil eine Haupteinspritzrichtung aufweist, die gegenüber einer Tangente an einen zur Zylinderachse konzentrischen, durch die Achse des Einspritzventils gehenden Teilkreis um einen Winkel nach innen geneigt ist.
• Mit diesen Maßnahmen lassen sich die eingangs geschilderten Nachteile und Schwierigkeiten auf höchst einfache und kostengünstige Weise vermeiden. Der Brennstoff gelangt hier im wesentlichen in den die zentrale, kuppelförmige Erhöhung umgebenden Bereich. Die Hauptverbrennungszone befindet sich daher ebenfalls in diesem Bereich, wo die Abstände zwischen der Kolbenoberseite und der oberen Brennraumbegrenzung vergleichsweise groß sind, wodurch die thermische Belastung reduziert wird. Dieser Vorteil wird dadurch noch verstärkt, daß der im oberen Totpunkt sich ergebende Brennraum, der bereits durch die zentrale, kuppelförmige Erhöhung des Kolbens verkleinert wird, zusätzlich auch noch durch die ihn praktisch auf seiner ganzen Höhe begrenzende, umlaufende Konusfläche verkleinert wird, womit sich insgesamt eine volumensparende Geometrie ergibt, so daß der obere Totpunkt des Kolbens vergleichsweise tief liegen kann, was sich vorteilhaft auf die Abstandsvergrößerung auswirkt. Zudem ergibt sich außerhalb der zentralen, kuppelförmigen Erhöhung des Kolbens genügend Raum, daß sich oberhalb des Kolbens eine zirkulierende Luftströmung ausbilden kann, welche die thermische Belastung des Kolbenbodens ebenfalls reduziert. Die zentrale Erhöhung des Kolbenbodens führt gleichzeitig zu einer guten Verwirbelung der heißen Verbrennungsgase, wodurch die thermische Belastung des Kolbenbodens und Zylinderdeckels vergleichmäßigt wird, was sich ebenfalls vorteilhaft auf die Vermeidung einer lokalen thermischen Überbeanspruchung auswirkt. Die zentrale Erhöhung kann vergleichsweise hoch sein, ohne daß Kollisionen mit dem Auslaßventil zu befürchten sind, da bei Zweitakt-Motoren das Auslaßventil im Bereich des oberen Totpunkts geschlossen ist.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben. So kann die konische Fläche zweckmäßig so ausgebildet sein, daß die über eine Krümmung hieran anschließende Zylinderfläche im oberen Totpunkt des Kolbens vollständig von diesem bedeckt ist. Dies ergibt die kompakteste Brennraumgeometrie.
• Zweckmäßig kann der Konuswinkel der konischen Fläche im Bereich zwischen 30° bis 60° liegen, vorzugsweise 45° betragen. Hierbei ergeben sich die oben geschilderten Vorteile in besonderem Maße.
• Eine weitere besonders zu bevorzugende Maßnahme kann darin bestehen, dass die Oberseite des Kolbens eine zwischen der zentralen, kuppelförmigen Erhöhung und einer am äußeren Rand umlaufenden, randseitigen Erhöhung vorhandene, umlaufende Vertiefung aufweist. Die die zentrale Erhöhung umgebende Vertiefung führt im Bereich der Hauptverbrennungszone zu besonders großen Abständen zwischen Kolbenoberseite und oberer Brennraumbegrenzung. Zudem wird durch die umlaufende Vertiefung die Ausbildung einer zirkulierenden Luftströmung unterstützt. Hierdurch werden daher die weiter oben genannten Hauptvorteile der übergeordneten Maßnahmen verstärkt.
• Zweckmäßig kann die randseitige Erhöhung niedriger als die zentrale, kuppelförmige Erhöhung ist. Hierdurch wird die Aufrechterhaltung der zirkulierenden Bewegung der Luft bei der Abwärtsbewegung des Kolbens begünstigt.
• Mit Vorteil kann die Brennstoffzuführeinrichtung im Bereich der radial äußeren Hälfte der konischen Fläche angeordnet sein. Hierdurch wird die Brennstoffeinspritzung in den Bereich der umlaufenden Vertiefung und damit die dortige Ausbildung der Hauptverbrennungszone begünstigt.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben und aus der nachstehenden Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung näher entnehmbar.
• Die nachstehend beschriebene Zeichnung zeigt in ihrer einzigen Figur einen Schnitt durch den oberen Bereich eines Zylinders eines Zweitakt-Großdieselmotors.
• Der grundsätzliche Aufbau und die Wirkungsweise von Zweitakt-Großdieselmotoren, wie sie beispielsweise als Schiffsantriebe oder dergleichen Verwendung finden können, sind an sich bekannt und bedürfen daher im vorliegenden Zusammenhang keiner näheren Erläuterung mehr. Diese Motoren besitzen in der Regel mehrere, reihenartig hintereinander angeordnete Zylinder, die auf einem zugeordneten Zwischenboden des Maschinengestells aufgenommen sind. Diese Zylinder, von denen in der Zeichnung ein Zylinder 1 angedeutet ist, besitzen jeweils einen Zylindermantel 2, der mit einem aufgesetzten Zylinderdeckel 3 versehen ist. Die bis in den Zylinderdeckel 3 hineinreichende Zylinderbohrung bildet einen Brennraum 4, der durch einen in der Zylinderbohrung angeordneten, auf- und abgehenden Kolben 5 vergrößerbar bzw. verkleinerbar ist. Der Kolben 5 wirkt in an sich bekannter Weise mit einer hier nicht näher dargestellten Kurbelwelle zusammen. Der Zylinderdeckel 3 ist mit einem zentralen, vom Brennraum 4 abgehenden Abgasauslaß 6 versehen, der durch ein zugeordnetes Auslaßventil 7 kontrollierbar ist.
• Radial außerhalb des Auslaßventils 7 im Bereich der äußeren Hälfte des Rings zwischen Auslaßventil 7 und Brennraumperipherie ist eine Brennstoffzuführeinrichtung 8, hier in Form einer Einspritzventilanordnung, vorgesehen. In der Zeichnung ist ein Einspritzventil dargestellt. In der Praxis können jedoch mehrere, gleichmäßig am Umfang verteilte Einspritzventile vorgesehen sein. Die Einspritzventile besitzen in der Regel mehrere Düsenbohrungen 9, die so angeordnet sind, daß das hierdurch sich ergebende Sprühmuster zu einer möglichst geringen thermischen Beanspruchung der umliegenden Teile führt. Die Düsenbohrungen 9 können so angeordnet sein, dass sich in der Draufsicht ein auf eine Radiale durch die Achse des zugehörigen Einspritzventils bezogener Spreizwinkel der Einspritzung von –30° bis +90°, vorzugsweise von –10° bis +70°, und in der Seitenansicht von –40° bis +50°, vorzugsweise von –20° bis +30°, ergibt. In jedem Falle sind die Düsenbohrungen 9 so angeordnet, dass die Haupteinspitzrichtung gegenüber einer Tangente an einen zur Zylinderachse konzentrischen, durch die Achse des zugehörigen Einspritzventils gehenden Teilkreis um einen vorgegebenen Winkel nach innen geneigt ist, was zur Vermeidung hoher thermischer Beanspruchungen beiträgt.
• Die an die Bohrung des Zylindermantels 2 anschließende Ausnehmung des Zylinderdeckels 3 besitzt eine an den dem Auslaßventil 7 zugeordneten Freistich, also an den Ventilbereich, anschließende, von außen zum Auslaßventil 7 hin konvergierende, konische, ringförmig umlaufende Fläche 10, die gegenüber dem Ventilbereich etwa dort endet und mit einer Krümmung 11 in die achsparallele Zylinderfläche 12 übergeht, wo sich der äußere Rand der Oberseite des Kolbens 5 im oberen Totpunkt befindet. Diese Position liegt der Zeichnung zugrunde. Im oberen Totpunkt des Kolbens 5 ist demnach die achsparallele Zylinderfläche 12 vom Kolben 5 praktisch auf der ganzen Höhe bedeckt. Der im oberen Totpunkt des Kolbens 5 sich ergebende, kleinste Brennraum 4 ist in radialer Richtung auf seiner ganzen Höhe durch die zum Auslaßventil 7 hin konvergierende, konische Fläche 10 begrenzt. Der Konuswinkel der konischen Fläche 10 gegenüber einer Parallelen zur Zylinderachse kann im Bereich zwischen 30° bis 60° liegen. Im dargestellten, bevorzugten Beispiel beträgt dieser Winkel 45°.
• Im oberen Totpunkt des Kolbens 5 befindet sich der obere äußere Kolbenrand oberhalb der Teilfuge zwischen Zylindermantel 2 und Zylinderdeckel 3. Der Zylinderdeckel 3 ist dementsprechend mit einem über die konische Fläche 10 hinausragenden, an den Zylindermantel 2 anschließenden Kragen 13 versehen, dessen Zylinderfläche 12 durch die Krümmung 11 mit der konischen Fläche 10 verbunden ist.
• Die Oberseite des Kolbens 5 besitzt eine zentrale, kuppelförmige Erhöhung 14. Im dargestellten Beispiel ist eine zwischen der zentralen, kuppelförmigen Erhöhung 14 und einer randseitigen Erhöhung 15 angeordnete, umlaufende Vertiefung 16 vorgesehen. Im dargestellten Beispiel ist die randseitige Erhöhung 15 etwas niedriger als die zentrale, kuppelförmige Erhöhung 14. Es wäre aber auch denkbar, die randseitige Erhöhung 15 höher als die zentrale Erhöhung 14 auszuführen. Die Vertiefung 16 besitzt eine abgeflachte Sohle 17, an die sich linear ansteigende Flanken anschließen. Die Erhebung der kuppelförmigen Erhöhung 14 gegenüber der Sohle 17 liegt im Bereich zwischen 5% bis 30% vorzugsweise 5% bis 15% des Radiuses des Kolbens 5 bzw. Brennraums 4. Die Eintiefung der umlaufenden Vertiefung 16 gegenüber dem äußeren Rand 15 ist demgegenüber etwas kleiner. Der Krümmungsradius der Erhöhung 14 kann zwischen 15% bis 50% des Kolbendurchmessers betragen und beträgt im dargestellten Beispiel 1/3 des Kolbendurchmessers.
• Der mittlere Durchmesser der Vertiefung 16 und damit praktisch der äußere Durchmesser der kuppelförmigen Erhöhung 14 beträgt 40%–80%, vorzugsweise 60% des Kolbendurchmessers. Die zentrale, kuppelförmige Erhöhung 14 des Kolbens 5 und die konische Fläche 10 des Zylinderdeckels 2 ergeben trotz der vorgesehenen Vertiefung 16 eine raumsparende Geometrie und dementsprechend ein vergleichsweise kleines Volumen des Brennraums 4 im Bereich des oberen Totpunkts.
• Die die Brennstoffzuführeinrichtung 8 bildenden Einspritzventile, die, wie oben schon angedeutet wurde, in der radial äußeren Hälfte der konischen Fläche 10 angeordnet sind und deren Haupteinspritzrichtung, wie oben ebenfalls bereits ausgeführt wurde, gegenüber der Tangentialrichtung um einen bestimmten Winkel nach innen angestellt ist, bringen den Brennstoff in den radialen Bereich der Vertiefung 16. In diesem Bereich entwickelt sich daher die Hauptverbrennungszone, die in der Zeichnung mittels eines mit unterbrochenen Linien dargestellten Kreises 19 lediglich angedeutet ist. Infolge der der Hauptverbrennungszone zugeordneten Vertiefung 16 ergeben sich in der Hauptverbrennungszone 19 vergleichweise große lichte Wandabstände sowohl zum Kolben 5 als auch zum Zylinderdeckel 3 und Auslaßventil 7. Hierdurch wird erreicht, daß die thermische Beanspruchung vergleichsweise gering bleibt. Zudem bietet die Vertiefung 16 genügend Platz dafür, daß sich oberhalb des Kolbens 5 eine rotierende, in der Zeichnung durch die Pfeile 20 angedeutete Luftströmung ausbilden kann, wodurch die thermische Beanspruchung ebenfalls niedrig gehalten werden kann. Die zentrale, kuppelförmige Erhöhung 14 führt zudem zu einer in der Zeichnung durch einen gebogenen Pfeil 21 angedeuteten, starken Verwirbelung der heißen Verbrennungsgase, wodurch die thermische Beanspruchung vergleichmäßigt wird und dementsprechend insgesamt vergleichsweise niedrig gehalten werden kann.

Claims (12)

1. Zweitaktmotor, insbesondere Zweitakt-Großdieselmotor, mit wenigstens einem Zylinder (1), der einen Zylindermantel (2) und einen auf diesem aufgenommenen Zylinderdeckel (3) aufweist und einen durch einen im Zylinder (1) verschiebbar angeordneten Kolben (5) veränderbaren Brennraum (4) enthält, wobei der Zylinderdeckel (3) einen zentralen, durch wenigstens ein Ventil (7) kontrollierbaren Abgasauslaß (6) und radial außerhalb hiervon eine vorzugsweise als wenigstens ein Einspritzventil ausgebildete Brennstoffzuführeinrichtung (8) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite des Kolbens (5) eine zentrale kuppelförmige Erhöhung (14) aufweist, dass der im oberen Totpunkt des Kolbens (5) sich ergebende Brennraum (4) umfangsseitig zumindest nahezu auf seiner ganzen Höhe durch eine konische, zum Abgasauslaß (6) hin konvergierende, unmittelbar an die Zylindermantelfläche (12) anschließende Fläche (10) begrenzt ist und dass die Brennstoffzuführeinrichtung (8) im Bereich der konischen Fläche (10) angeordnet ist sowie jedes Einspritzventil eine Haupteinspritzrichtung aufweist, die gegenüber einer Tangente an einen zur Zylinderachse konzentrischen, durch die Achse des Einspritzventils gehenden Teilkreis um einen Winkel nach innen geneigt ist.
2. Zweitakt-Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die konische Fläche (10) über eine Krümmung (11) an eine achsparallele Zylinderfläche (12) anschließt, die im oberen Totpunkt des Kolbens (5) von diesem bedeckt ist.
3. Zweitakt-Motor nach vorhergehenden Ansprüch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die konische Fläche (10) im Zylinderdeckel (3) angeordnet ist.
4. Zweitakt-Motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderdeckel (3) einen über die konische Fläche (10) hinausgehenden, an den Zylindermantel (2) anschließenden Kragen (13) aufweist, dessen achsparallele Zylinderfläche (12) durch die Krümmung (11) mit der konischen Fläche (19) verbunden ist.
5. Zweitakt-Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebung der zentralen, kuppelförmigen Erhöhung (14) gegenüber der Sohle (17) des tiefsten Bereichs der Kolbenoberseite (16) 5% bis 30% des Radiuses des Kolbens (5) beträgt.
6. Zweitakt-Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebung der zentralen, kuppelförmigen Erhöhung (14) gegenüber der Sohle (17) des tiefsten Bereichs der Kolbenoberseite 5% bis 15% des Radiuses des Kolbens (5) beträgt.
7. Zweitakt-Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite des Kolbens (5) eine zwischen der zentralen, kuppelförmigen Erhöhung (14) und einer am äußeren Rand umlaufenden, randseitigen Erhöhung (15) vorhandene, umlaufende Vertiefung (16) aufweist.
8. Zweitakt-Motor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (16) eine abgeflachte Sohle (17) aufweist.
9. Zweitakt-Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die randseitige Erhöhung (15) niedriger als die zentrale, kuppelförmige Erhöhung (14) ist.
10. Zweitakt-Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Konuswinkel der konischen Fläche (10) im Bereich zwischen 30 bis 60° liegt.
11. Zweitakt-Motor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Konuswinkel der konischen Fläche (10) 45° beträgt.
12. Zweitakt-Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzuführeinrichtung (8) im Bereich der radial äußeren Hälfte der konischen Fläche (10) angeordnet ist.