DE2333171C3 - Hubkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit um die Zylinderachse kreisender Luftbewegung und mit Direkteinspritzung des Brennstoffs mittels einer außermittig angeordneten Einspritzdüse und mit im Kolben angeordnetem Brennraum und einer damit über wenigstens einen vom Brennraumboden bis zur Kolbenbodenoberkante reichenden Spalt in Verbindung stehenden Kammer, in die ausschließlich Brennstoff durch die über der Kammer angeordnete Einspritzdüse einspritzbar ist.

Eine solche Hubkolbenbrennkraftmaschine ist durch die deutsche Auslegeschrift 20 01 518 bekanntgeworden. Bei der bekannten Hubkolbenbrennkraftmaschine ist die vergleichsweise kleinvolumige Kammer als reine Mischzone zur Aufbereitung des Kraftstoff-Luft-Gemischs und der dem gegenüber vergleichsweise großvolumige Brennraum als eigentliche Verbrennungszone ausgebildet. ⁷egen des verhältnismäßig kleinen Volumens der Mischkammer wird ein reiches Gemisch aus Kraftstoff und Luft erzeugt, wodurch Krack-Reaktionen, die zu starker Rußbildung Anlaß geben, vermieden werden, da die Mischkammer gegenüber den hohen Temperaturen im Brennraum abgeschirmt ist. Die unterschiedliche Größenaufteilung der Kammer gegenüber dem Brennraum bringt es je-

doch mit sich, daß ein die beiden Räume voneinander trennender Leitkörper nahe der einen Seite der Brennraumwand zu liegen kommt. Eine solche einseitige Anordnung des Leitkörpers hat eine ungleichmäßige Wärmeverteilung zur Folge, was zu einer unerwünschten Formänderung der Kolbenlauffläche führen kann, wodurch sich die Reibung und der Verschleiß unzulässig erhöhen können. Dies bedingt nicht nur einen bedeutenden Leistungsverlust, erhöhten Ölverbrauch und größere Leckgasmengen, sondern zwangläufig damit auch eine kürzere Lebensdauer.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Hubkolbenbrennkraftmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der ohne nennenswerten Aufwand bei niedrigen Verbrennungsspitzendrücken und -Spitzentemperaturen geringe Abgas- und Geräuschemissionen erreicht werden. Die Lösung der Aufgabe wird dadurch erreicht, daß der Brennraum und die Kammer in an sich bekannter Weise im Kolben nebeneinander liegen und etwa gleich groß ausgebildet sind und daß ferner der den Brennraum und die Kammer miteinander verbindende Spalt in bezug auf die kreisende Luftbewegung in der Kammer gleichsinnig und im Brennraum ungleichsinnig tangential zu der Wandung des Brennraums und der Kammer verläuft. Hierdurch wird in der Kammer eine unvollkommene und mit niedriger Verbrennungstemperatur ablaufende und im Brennraum eine vollkommene und rasche Verbrennung erzielt, wobei im Brennraum infolge der dort vorhandenen Frischluft eine weitgehende Oxydation der CH- und CO-Bestandteile zu den unschädlichen Produkten CO2 und H2O stattfindet. Durch die erfindungsgemäße Anordnung des sich zwischen der Kammer und dem Brennraum erstreckenden Spaltes wird darüber hinaus sichergestellt, daß an dieser Stelle während der Überströmzeit der Gase von der Kammer in den Brennraum keine Verluste auftreten. Ferner erfolgt an der Übertrittsstelle von der Kammer zum Brennraum eine resultierende radiale Strömung zum Zentrum des Brennraums, so daß sich die Verbrennungsgase sehr schnell über den ganzen Brennraum erstrecken können. Durch die Anordnung sowohl des Brennraum als auch der Kammer im Kolben kommt man zu einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, die ohne wesentliche Änderungen und damit ohne nennenswerte Erhöhung der Fertigungskosten sich durch geringe Abgas- und Geräuschemission sowie auch sehr niedrige Verbrennungsspitzendrücke und Spitzentemperaturen im Brennraum auszeichnet.

Dieselben Vorteile lassen sich auch erzielen, wenn entsprechend einem alternativen Lösungsvorschlag die durch eine ringförmig parallel zur Wandung des rotationssymmetrischen Brennraums verlaufende Wand getrennte Kammer einen vollen Kreisring bildet und durch mehrere Spalte mit dem mittigen Kolbenbrennraum verbunden ist. Auch in diesem Fall werden durch die ringförmige Kammer und den mittig gelegenen Brennraum zwei Verbrennungszonen gebildet, in denen die Verbrennung zunächst unvollkommen und mit niedrigerer Verbrennungstemperatur und danach vollkommen und rasch ablaufen kann, wobei die Brenngase von der ringförmigen Kammer in den mittig gelegenen Brennraum über die in der Wand befindlichen Spalte weitgehend verlustfrei übertreten können.

Durch die britische Patentschrift 8 33 683 ist zwar schon eine Hubkolbenbrennkraftmaschine bekanntgeworden, bei der der Brennraum und eine Kammer im Kolben nebeneinander liegen und etwa gleich groß

ausgebildet sind. Hierbei erfolgt jedoch die Kraftstoffeinspritzung gleichzeitig in die Kammer und den Brennraum. Der Verbrennungsablauf kann daher nicht wie bei der Erfindung stattfinden. Hinzu kommt, daß sich die zwischen den Kammern vcrhandene Verbindung nicht vom Brennraumboden bis an die Kolbenbodenoberkante erstreckt und a^ch nicht im Sinne wie beim Anmeldungsgegenstand verläuft, sondern genau entgegengesetzt. Es wäre daher auch schon aus diesem Grunde bei der bekannten Hubkolbenbrennkraftmaschine keine gute und verlustfreie Verteilung und Strömungssteuerung der Gase möglich. Ferner kommt noch hinzu, daß bei der bekannten Brennkraftmaschine das beim Anmeldungsgegenstand angeschnittene Problem der Geräusch- und Abgasemission nicht angesprachen ist.

Das gleiche gilt auch für eine durch die österreichische Patentschrift 2 22 944 bekanntgewordene Hubkolbenbrennkraftmaschine. Auch doit erfolgt die Einspritzung gleichzeitig in mehrere im Kolbenboden angeordnete Kammern, jedoch erstreckt sich ein zwischen den Kammern vorhandener Spalt weder vom Brennraumboden bis an die Kolbenbodenoberkante noch im Sinne des Anmeldungsgegenstandes.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Teilausschnitt einer erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennkraftmaschine,

F i g. 2 eine Aufsicht auf den Kolben der Hubkolbenbrennkraftmaschine in einer ersten Phase des Verbrennungsablaufs,

Fig.3 die gleiche Aufsicht auf den Kolben in einer zweiten Phase des Verbrennungsablaufs,

F i g. 4 den Kolben in der Aufsicht in einer dritten Phase des Verbrennungsablaufs und

Fig.5 den Kolben in der Aufsicht in einer vierten Phase des Verbrennungsablaufs.

In F i g. 1 ist ein Teil eines Kurbelgehäuses einer nicht näher dargestellten Hubkolbenbrennkraftmaschine dargestellt. In dem Kurbelgehäuse 1 sitzt in bekannterweise eine Zylinderlaufbüchse 2, in der ein Kolben 3 hin und her beweglich gelagert ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich der Kolben 3 in der oberen Totpunktlage. Der Kolben 3 besitzt im Kolbenboden 4 eine Brennraummulde 5, die, wie im einzelnen aus den F i g. 2 bis 5 ersichtlich ist, aus einer Kammer 6 und dem eigentlichen Brennraum 7 besteht, die im wesentlichen gleich groß sind. Die Kammer 6 und der Brennraum 7 sind über einen sie verbindenden tangentialen Spalt 8 miteinander verbünden. Oberhalb der Kammer 6 und des Brennraums 7 befinden sich ein Einlaßventil 9, ein Auslaßventil 11 und eine Einspritzdüse 12. Die Ventile 9 und 11 sowie die Einspritzdüse 12 sitzen in einem Zylinderkopf 13, der unter Zwischenschaltung einer Zylinderkopfdichtung 14 mit dem Kurbelgehäuse 1 in nicht dargestellter Weise verschraubt ist.

Das Einlaßventil 9 bzw. dessen Einlaßkanal im Zylinderkopf 13 ist so ausgebildet, daß beim Ansaughub des Kolbens 3, d. h. wenn dieser sich in F i g. 1 nach unten bewegt, die angesaugte Frischluft zur Erzeugung einer Wirbelbewegung um die Achse 15 des Zylinders eine Drallbewegung ausführt.

In der nachfolgenden Beschreibung der Wirkungsweise der Hubkolbenbrennkraftmaschine bzw. des Verbrennungsverfahrens an Hand der F i g. 2 bis 5 ist die Bewegung der Frischluft durch die gestrichelten Pfeile 16 und die Bewegung der Brenngase durch die voll ausgezogenen Pfeile 17 dargestellt.

Nach dem Füllen des Zylinderraumes mit Frischluft beim Ansaughub des Kolbens 3 wird bei der sich anschließenden Verdichtung, bei der sich der Kolben 3 . wieder nach oben auf den Zylinderkopf 23 zu bewegt, der Drall der angesaugten Frischluft in der Kammer 6 und dem Brennraum 7 in zwei getrennte, aber gleichgerichtete Luftwirbel (Pfeile 16) aufgeteilt (F i g. 2).

In der zweiten Phase der Verbrennung wird gemäß F i g. 3 über die Einspritzdüse 12 der gesamte Brennstoff in die Kammer 6 eingespritzt. Infolge des dort herrschenden Luftmangels findet nur eine unvollkommene und mit niedriger Verbrennungstemperatur ablaufende Verbrennung statt. Hieraus folgen hohe CH- und CO-Schadstoffkonzentrationen, jedoch fast keine NO-Bildung. Wie weiter aus F i g. 4 hervorgeht, gelangen die Brenngase aus der Kammer 6 über den tangentialen Spalt 8 in den Brennraum 7.

Infolge der Überlagerung der beiden Wirbel (Pfeile 16 und 17) in der Kammer 6 und dem Brennraum 7 und wegen der geringeren Dichte des Brenngases in der Kammer 6 ergibt sich hinter dem Spalt 8 an der Übertrittsstelle von der Kammer 6 zum Brennraum 7 eine resultierende radiale Strömung zum Zentrum des Brennraums 7. Im Brennraum 7 findet infolge der dort vorhandenen Frischluft eine weitgehende Oxydation der CH- und CO-Bestandteile zu den unschädlichen Produkten CO2 und H2O statt. Diese Nachoxydation verläuft wegen der vorbeschriebenen Drehung der Gase in der Kammer 6 und dem Brennraum 7 und infolge der radialen Überströmung von der Kammer 6 in den Brennraum 7 sehr vollkommen und findet innerhalb sehr kurzer Zeit statt. Wie aus F i g. 5 hervorgeht, verteilen sich in der nachfolgenden Verbrennungsphase die Gase über den gesamten Kolben, ohne daß an einer Drosselstelle nennenswerte Verluste durch Überströmarbeit der Gase auftreten können.

Es versteht sich, daß die Erfindung nicht nur auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern im Rahmen der Ansprüche auch Abänderungen zuläßt. So können die Kammer und der Brennraum auch konzentrisch zueinander angeordnet sein, d. h. die Kammer 6 im Zentrum des Kolbens und der Brennraum 7 rings um die Brennkammer 6 am Rande des Kolbenbodens. Hierdurch lassen sich verhältnismäßig große Brennkammern unterbringen und Quetschströmungen im oberen Totpunkt gering halten. Bei dieser Anordnung sind zwischen der Kammer 6 und dem Brennraum 7 mehrere Übertrittsspalte möglich. Ferner ist es grundsätzlich möglich, auch mehr als zwei Kammern vorzusehen. Weiterhin können die Ein- und Auslaßventile anders als dargestellt angeordnet sein. Auch kann ohne weiteres das Einlaßventil das Auslaßventil und das Auslaßventil das Einlaßventil sein. Auch die Einspritzdüse braucht nicht an der dargestellten Stelle vorgesehen zu sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche: 23

1. Hubkolbenbrennkraftmaschine mit um die Zylinderachse kreisender Luftbewegung und mit Direkteinspritzung des Brennstoffs mittels einer außermittig angeordneten Einspritzdüse und mit im Kolben angeordnetem Brennraum und einer damit über wenigstens einen vom Brennraumboden bis zur Kolbenbodenoberkante reichenden Spalt in Verbindung stehenden Kammer, in die ausschließlich Brennstoff durch die über der Kammer angeordnete Einspritzdüse einspritzbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum (7) und die Kammer (6) in an sich bekannter Weise im Kolben (1) nebeneinander liegen und .*twa gleich groß ausgebildet sind und daß ferner der den Brennraum (7) und die Kammer (6) miteinander verbindende Spalt (8) in bezug auf die kreisende Luftbewegung (16) in der Kammer (6) gleichsinnig und im Brennraum (7) ungleichsinnig tangential zu der Wandung des Brennraums (7) und der Kammer (6) verläuft.

2. Hubkolbenbrennkraftmaschine mit um die Zylinderachse kreisender Luftbewegung und mit Direkteinspritzung des Brennstoffs mittels einer außermittig angeordneten Einspritzdüse und mit im Kolben angeordnetem Brennraum und einer damit über wenigstens einen vorn Brennraumboden bis zur Kolbenbodenoberkante reichenden Spalt in Verbindung stehenden Kammer, in die ausschließlich Brennstoff durch die über dieser Kammer angeordnete Einspritzdüse einspritzbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die durch eine ringförmig parallel zur Wandung des rotationssymmetrischen Brennraums verlaufende Wand getrennte Kammer einen vollen Kreisring bildet und durch mehrere Spalte mit dem mittigen Kolbenbrennraum verbunden ist.