DE19849913C2 - Otto-Brennkraftmaschine mit äußerer Gemischbildung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Otto-Brennkraftmaschine mit äußerer Gemischbildung.

Aus der DE 26 07 561 A1 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der aus Gründen der Senkung des Ausstoßes von Kohlenwasserstoffen Mulden im Kolbenboden des Kol­ bens angebracht sind. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird hierbei zunächst in den Randbereichen gezündet, wo­ durch eventuell eine Verminderung des Kohlenwasser­ stoffausstoßes erreicht werden kann. Durch die stark verzögerte Verbrennung des Hauptanteils des Kraft­ stoff-Luft-Gemisches ergeben sich jedoch große thermo­ dynamische Nachteile, d. h. die Verbrennung wird insge­ samt weitaus schlechter.

Die DE 196 24 227 A1 beschreibt einen schlitzgesteuer­ ten Zweitaktmotor, dessen Kolbenboden eine zweistufige Vertiefung aufweist. Die Anordnung dieser Vertiefung soll dazu dienen, den Hauptanteil des Brennraums in einen Bereich unterhalb der Zündkerze zu verlagern. Wie bereits oben angeführt handelt es sich jedoch um einen schlitzgesteuerten Zweitaktmotor, der insbeson­ dere bezüglich der Gemischbildung und der Zuführung des Gemisches in den Brennraum mit einer Viertakt- Otto-Brennkraftmaschine mit äußerer Gemischbildung keinerlei Gemeinsamkeiten aufweist.

Weitere Brennkraftmaschinen mit Mulden und Vertiefun­ gen im Kolbenboden des Kolbens sind außerdem aus der DE 29 34 615 A1 und der US 3,797,466 bekannt.

Im Allgemeinen werden in Brennkraftmaschinen Kolben mit Mulden oder Vertiefungen im Kolbenboden dazu ein­ gesetzt, um strömungstechnische Effekte und Drallströ­ mungen verschiedener Art in den Brennräumen herbeizu­ führen, welche zu einer besseren Vermischung und somit zu einer Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches und dadurch wieder zu einer allgemein günstigeren Ver­ brennung führen sollen.

Grundsätzlich sind dabei zwei verschiedene Arten von Strömungen zu unterscheiden: Die sogenannte Drallströ­ mung ist eine Wirbelbewegung des Kraftstoff-Luft- Gemisches um die Längsachse des Zylinders der Brenn­ kraftmaschine. Die Tumbleströmung dagegen ist eine Wirbelbewegung um eine zu einer Querachse des Zylin­ ders parallele Achse. Ziel der oben angegebenen Mulden ist die Verstärkung des Verwirbelungsgrades innerhalb des Zylinders oder die Ablenkung solcher Strömungen.

Nachteilig bei den bekannten Ausführungsformen von Mulden im Kolbenboden der Kolben von Brennkraftmaschi­ nen ist die, trotz der unternommenen Anstrengungen zur Herbeiführung von strömungstechnischen Effekten, noch immer relativ schlechte Vermischung und daraus folgend die Schichtung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brenn­ raum und die damit zusammenhängende Erhöhung der Klopfneigung.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Otto-Brennkraftmaschine mit äußerer Gemischbildung zu schaffen, bei welcher der Kolbenboden so gestaltet ist, daß die Tumbleströmung um eine Querachse derart abgelenkt bzw. beeinflußt wird, daß dadurch eine gute Vermischung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erfolgt, eine unerwünschte Schichtung des Kraftstoff-Luft- Gemisches im Zylinder verhindert und somit eine Ver­ ringerung der Klopfneigung erreicht wird. Das An- und Abströmen des Kraftstoff-Luft-Gemisches bzw. der Abga­ se soll dabei in einem geeigneten Zusammenspiel mit der Gestaltung des Kolbenbodens gegeben sein, so daß sich die oben genannten Strömungen innerhalb des Brennraumes ergeben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in An­ spruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung der halbmondför­ migen Vertiefung im Kolbenboden des Kolbens läßt sich das Kraftstoff-Luft-Gemisch durch die Tumbleströmung während des Kompressionsvorganges gezielter zu der oberhalb der Vertiefung sich befindlcihen Zündkerze umlenken, was zu einer besseren Vermischung und Homo­ genisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches und zu einer damit verbundenen Verringerung der Klopfneigung und zu einer Verkürzung des mittleren Abstandes zwischen der Zündkerze und dem Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum führt. Die Vermischung des Kraftstoffes mit der zur Verbrennung erforderlichen Luft erfolgt dabei außer­ halb des Zylinders, mittels einer sogenannten äußeren Gemischbildung, wie z. B. durch Saugrohreinspritzung.

Durch die Anordnung der beiden Einlaßkanäle oberhalb derjenigen Hälfte, in der sich keine Vertiefung befin­ det, wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch direkt zu der Vertiefung geleitet. Während des Verdichtungstaktes wird die kraftstoffbeladene Strömung, die von den Aus­ laßöffnungen zu den Einlaßöffnungen strömt, zu der wenigstens einen Zündkerze hin abgelenkt. Die wenig­ stens eine Auslaßöffnung befindet sich erfindungsgemäß direkt oberhalb der Vertiefung, so daß das gezündete Kraftstoff-Luft-Gemisch sehr schnell abgeführt wird.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung der halbmondför­ migen Vertiefung im Kolbenboden des Kolbens kann dar­ über hinaus entsprechend der Lage und Anzahl der Zünd­ kerzen der Brennraum kompakter ausgeführt werden, was zu einem kleineren Verhältnis von Oberfläche zu Volu­ men des Brennraumes, also zu einer kleineren Exzentri­ zität, sowie zu einem kleineren Abstand zwischen der Zylinderwand und der Zündkerze führt, woraus sich ein kompakterer, klopfunempfindlicherer Brennraum ergibt. Dadurch kann die Nennleistung bei gleichem Hubvolumen der Brennkraftmaschine gesteigert und der Teillastver­ brauch gesenkt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dar­ gestellten Ausführungsbeispiel.

Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungs­ gemäß angebrachten Vertiefung im Kolbenboden des Kolbens;

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II aus Fig. 4;

Fig. 3 den Kolben aus Fig. 1 mit drei Ventilen und zwei Zündkerzenbohrungen in einer Draufsicht;

Fig. 4 den Kolben aus Fig. 3 mit vier Ventilen und einer Zündkerzenbohrung in einer Draufsicht; und

Fig. 5 einen Schnitt durch den Brennraum der Brenn­ kraftmaschine nach der Linie V-V aus Fig. 3.

In Fig. 1 ist ein Kolben 1 einer in ihrer Gesamtheit nicht dargestellten Otto-Brennkraftmaschine mit äuße­ rer Gemischbildung und eine in einem Kolbenboden 2 des Kolbens 1 angebrachten halbmond- bzw. nierenförmig ausgebildeten Vertiefung 3 in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Der Kolben 1 führt dabei eine Translationsbewegung in einer in Fig. 3 und Fig. 4 dargestellten Zylinderbohrung 4 der Otto- Brennkraftmaschine aus, welche über ein nicht darge­ stelltes Pleuel und eine nicht dargestellte Kurbelwel­ le in bekannter Weise in eine Kreisbewegung umgewan­ delt wird.

In Fig. 2 ist ein Schnitt durch den Kolben 1 und der im Kolbenboden 2 des Kolbens 1 angebrachten halbmondförmigen Vertiefung 3 dargestellt. Des weiteren sind die geometrischen Abmessungen in der z-Achse der halb­ mondförmigen Vertiefung 3 erkennbar. So beträgt der Winkel α einer Wandschräge 5 entlang einem äußeren, in Fig. 3 und Fig. 4 sichtbaren Radius R1 der halbmond­ förmigen Vertiefung 3 gegenüber des Kolbenbodens 2 des Kolbens 1 annähernd 10° bis 15°. Eine Tiefe t der halbmondförmigen Vertiefung 3 beträgt annähernd das 0,05-fache eines Zylinderdurchmessers D. Zwischen der halbmondförmigen Vertiefung 3 und dem Kolbenboden 2 des Kolbens 1 ist ein Übergangsradius r entlang eines in Fig. 3 und Fig. 4 zu sehenden inneren Radius R2 vorgesehen, wobei der Übergangsradius r annähernd das 0,06-fache des Zylinderdurchmessers D beträgt.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf den Kolbenboden 2 des Kolbens 1 der Brennkraftmaschine. Angedeutet sind zwei Einlaßöffnungen 6, eine Auslaßöffnung 7, wobei die dazugehörenden Ventile nicht dargestellt sind. Weiter zeigt die Fig. 3 gestrichelt zwei Zündkerzen 8, welche sich im Gehäuse der Brennkraftmaschine (nicht darge­ stellt) befinden. Des weiteren ist die halbmondförmige Vertiefung 3 im Kolbenboden 2 des Kolbens 1 darge­ stellt. Die Positionen der beiden Zündkerzen 8, der beiden Einlaßöffnungen 6, der Auslaßöffnung 7 und der halbmondförmigen Vertiefung 3 im Kolbenboden 2 des Kolbens 1 sind dabei annähernd symmetrisch zu einer senkrecht zur Zylinderbohrung 4 verlaufenden Symme­ trieachse 9 des Kolbens 1 angeordnet. Die beiden Ein­ laßöffnungen 6 sind dabei jeweils in einem Viertel einer Hälfte der Zylinderbohrung 4 angeordnet. Die Auslaßöffnung 7 liegt mittig auf der Symmetrieachse 9 in der anderen Hälfte der Zylinderbohrung 4. Die Zünd­ kerzen 8 liegen auf einer zu einer der Symmetrieachse 9 rechtwinklig in derselben Ebene angeordneten Quer­ achse 10 parallelen Linie 11 auf der zu den Einlaßöff­ nungen 6 zugewandten Seite der Auslaßöffnung 7 zwi­ schen den Einlaßöffnungen 6 und der Auslaßöffnungen 7. Der konzentrisch zu der Zylinderbohrung 4 verlaufende äußere Radius R1 der halbmondförmigen Vertiefung 3 ist dabei annähernd das 0,5-fache des Zylinderdurchmessers D abzüglich des ca. 0,05-fachen des Zylinderdurchmes­ ser D, wobei sein Mittelpunkt 12 der Mitte der Zylin­ derbohrung 4 entspricht. Ein innerer Radius R2 der halbmondförmigen Vertiefung 3 ergibt sich aus dem län­ geren der beiden Abstände zwischen der Zylinderbohrung 4 und der Querachse 10, abzüglich des annähernd 0,1- fachen des Zylinderdurchmessers D, ausgehend von einem Punkt 13 der sich an der Kreuzung zwischen der Zylin­ derbohrung 4 und der Symmetrieachse 9 in der Hälfte befindet, in der die Einlaßöffnungen 6 angeordnet sind.

In Fig. 4 ist derselbe Kolbenboden 2 desselben Kolbens 1 wie in Fig. 3 dargestellt, wobei hier jedoch zwei Auslaßöffnungen 7 und nur eine Zündkerze 8 oberhalb des Kolbens 1 angeordnet sind. Die Position der Ein­ laßöffnungen 6 entspricht denen aus Fig. 3. Die Aus­ laßöffnungen 7 sind jeweils in einem Viertel der ande­ ren Hälfte der Zylinderbohrung 4 angebracht. Die Zünd­ kerze 8 liegt auf dem Kreuzungspunkt 14 einer zu der Querachse 10 parallelen Linie 15 und der Symmetrieach­ se 9, wobei sich die Linie 15 in derjenigen Hälfte der Zylinderbohrung 4 befindet, in welcher die Auslaßöff­ nungen 7 angeordnet sind.

Fig. 5 zeigt einen Schnitt in perspektivischer Ansicht entlang der Schnittlinie V-V eines Brennraumes 16 der sich oberhalb des Kolbens 1 befindet. Des weiteren ist eine der beiden Einlaßöffnungen 6 sowie die Hälfte der Auslaßöffnung 7 zu sehen.

Des weiteren ist in Fig. 5 die Ablenkung durch die halbmondförmige Vertiefung 3 einer für Brennkraftma­ schinen mit zwei Einlaßöffnungen 6 und äußerer Ge­ mischbildung typischen Drallströmung um eine Querachse 17 der Zylinderbohrung 4, einer sogenannten Tum­ bleströmung 18 welche durch die beiden Einlaßöffnungen 6 induziert wird, zu sehen.

Claims (7)

1. Otto-Brennkraftmaschine mit äußerer Gemischbil­ dung, mit folgenden Merkmalen:

• 1. 1.1 wenigstens einem in einer Zylinderbohrung (4) angeordneten Kolben (1),
• 2. 1.2 der wenigstens eine Kolben (1) weist einen mit wenigstens einer Mulde oder Vertiefung (3) versehenen Kolbenboden (2) auf,
• 3. 1.3 für jede Zylinderbohrung (4) ist wenigstens eine Zündkerze (8) und zwei Einlaßkanäle mit zugehörigen Einlaßöffnungen (6) vorgesehen, die wenigstens annähernd symmetrisch zu ei­ ner wenigstens annähernd durch den Mittel­ punkt (12) der Zylinderbohrung (4) und we­ nigstens annähernd senkrecht zur Zylinder­ bohrung (4) verlaufenden Symmetrieachse (9) angeordnet sind,
• 4. 1.4 für jede Zylinderbohrung (4) ist wenigstens ein Auslaßkanal mit einer zugehörigen Aus­ laßöffnung (7) vorgesehen,
• 5. 1.5 die sich in dem Kolbenboden (2) des Kolbens (1) befindliche Vertiefung (3) ist wenig­ stens annähernd halbmondförmig ausgebildet und liegt wenigstens annähernd symmetrisch zu der Symmetrieachse (9) und zu ihrem größ­ ten Teil in einer Hälfte des Kolbenbodens (2),
• 6. 1.6 die wenigstens eine Auslaßöffnung (7) ist oberhalb derjenigen Hälfte des Kolbenbodens (2) angeordnet, in der sich die Vertiefung (3) befindet,
• 7. 1.7 die wenigstens eine Zündkerze (8) ist ober­ halb derjenigen Hälfte des Kolbenbodens (2) angeordnet, in der sich die Vertiefung (3) befindet, und
• 8. 1.8 die zwei Einlaßöffnungen (6) sind oberhalb der anderen Hälfte des Kolbenbodens (2) an­ geordnet als die wenigstens eine Auslaßöff­ nung (7) und die wenigstens eine Zündkerze (8).

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Zündkerze (8) wenigstens an­ nähernd auf der Symmetrieachse (9) liegt.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Zündkerzen (8) in der Zylinderbohrung (4) angeordnet sind, welche wenigstens annähernd sym­ metrisch zu der Symmetrieachse (9) liegen.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein wenigstens annähernd konzentrisch zu der Zy­ linderbohrung (4) angeordneter äußerer Radius (R1) der halbmondförmigen Vertiefung (3) im Kolbenboden (2) des Kolbens (1) die Hälfte des Durchmessers (D) der Zylinderbohrung (4) abzüg­ lich wenigstens annähernd des ca. 0,05-fachen des Zylinderdurchmessers (D) beträgt.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (α) einer Wandschräge (5) der halb­ mondförmigen Vertiefung (3) zu dem Kolbenboden (2) des Kolbens (1) annähernd 10° bis 15° be­ trägt.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe (t) der halbmondförmigen Vertiefung (3) des Kolbens (1) annähernd das 0,05-fache des Durchmessers (D) der Zylinderbohrung (4) beträgt.

7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Übergangsradius (r) welcher zwischen dem Kol­ benboden (2) und der halbmondförmigen Vertiefung (3) des Kolbens (1) entlang eines inneren Radius R2 vorgesehen ist, annähernd das 0,06-fache des Durchmessers (D) beträgt.