DE2420947C3 - - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Kreiskolben-Brennkraftmaschine mit Brennstoffeinspritzung und Zündkerze, bestehend aus einem mehreckigen, in seinen Flanken mit jeweils einer Mulde versehenen Kolben und einem diesen umgebenden, mindestens einen Einlaßkanal und einen Auslaßkanal aufweisenden Gehäuse mit Seitenteilen und einem Mantel, an dem _g5 eine Brennstoffeinspritzvorrichtung angeordnet ist, die den Brennstoff in eine Ansaugkammer einspritzt.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (britische Patentschrift 906575) ist die Brennstoffeinspritzvorrichtung derart angeordnet, daß sie den Brennstoff in den - in Kolbendrehrichtung gesehen - voreilenden Bereich der Ansaugkammer einspritzt. Auf diese Weise wird eine Gemischschichtung erzielt, und zwar befindet sich im vorderen Bereich der Ansaugkammer das reiche und im hinteren Bereich das _6s magere Gemisch. Diese Schichtung soll bis zur Verbrennung aufrechterhalten werden, und zwar ohne Verwirbelung durch die Ansaugluft, um auf diese Weise insbesondere im Teillastbereich günstige Verbrennungsergebnisse zu erzielen. Der Ansaugkanal ist so gerichtet, daß die Ansaugluft auf die Kolbenflanke auftrifft.

Es wurde gefunden, daß es im Hinblick auf eine möglichst vollständige, umweltfreundliche Verbrennung und die Erzielung eines guten Wirkungsgrades tatsächlich vorteilhaft ist, im vorderen Bereich der Ansaugkammer ein reiches Gemisch aufzubauen. Letzteres zündet zuerst und entzündet seinerseits das nachfolgende magere Gemisch, wobei das magere Gemisch wiederum ausreichend Sauerstoff für die Verbrennung zuführt. Hingegen reicht diese Maßnahme nicht aus, um die Anforderungen hinsichtlich einer vollständigen Verbrennung unter Erzielung eines guten Wirkungsgrades ausreichend zu erfüllen. Dies ist darauf zurückzuführen, daß bei der bekannten Vorrichtung ohne jegliche Verwirbelung gearbeitet werden soll. Es kommt also zu einer unzureichenden Gemischaufbereitung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu schaffen und die Vorrichtung der eingangs genannten Art hinsichtlich ihrer Gemischaufbereitung zu verbessern.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Vorrichtung nach der Erfindung gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) die Kolbenmulde liegt jeweils im voreilenden Bereich der Kolbenflanke,

b) der Einlaßkanal ist derart geneigt, daß die einfließende Luft im wesentlichen auf den Punkt gerichtet ist, in dem die große Achse des Gehäusemantels den kalten Bogen der Mantelinnenwandungskontur schneidet.

Bekannt ist eine Anordnung entsprechend dem Merkmal a) (deutsche Auslegeschrift 1626552), jedoch wird auch hier die angesaugte Luft auf die Kolbenflanke gerichtet. Sie verliert dabei einen wesentlichen Anteil ihrer kinetischen Energie. Dies mag im Falle der bekannten Vorrichtung von geringerer Bedeutung sein, da es sich um einen Dieselmotor handelt, bei dem die Kolbenmulde erst während des Verbrennungshubes wirksam wird.

Weiterhin ist eine Anordnung entsprechend dem Merkmal b) bekannt (deutsche Offenlegungsschrift 1526 379), jedoch wird dort die Erzielung einer Vielzahl von kleinen, energiearmen Wirbeln ohne Bildung einer Gemischschichtung angestrebt. Hierzu dient eine scharfe Umlenkung des Ansaugkanals kurz vor der Einlaßöffnung sowie eine entsprechende Steuerung der Kraftstoffeinspritzung. Zwar trifft die Strömung auf die Gehäuseinnenwand auf, und zwar an einer Stelle, an der diese eine relativ starke Krümmung besitzt, jedoch kommt es anschließend zu einer weiteren turbulenten Verwirbelung, wenn die umgelenkte Strömung gegen die nicht mit einer Kolbenmulde versehene Kolbenflanke gerichtet wird.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß es für eine gute Kraftstoffaufbereitung und Gemischschichtung förderlich ist, an Stelle einer Vielzahl kleiner, energiearmer Wirbel eine Zirkulationsströmung hoher Geschwindigkeit im vorderen Bereich der Ansaiigkammer aufzubauen. Bei der Anordnung nach der Erfindung wird die angesaugte Luft an einer Stelle der Gehäuseinnenwand, an der diese eine relativ starke Krümmung besitzt, ohne wesentliche Geschwindigkeitsverluste umgelenkt. Sie strömt an der Gehäuseinnenwand entlang und trifft auf die Kolben-

flanke auf, und zwar dort, wo sich die Kolbenmulde befindet. Auch hier kommt es zu einer Umlenkung ohne wesentliche Geschwindigkeitsverluste. Die Kolbenmulde ihrerseits richtet die Strömung erneut nach oben und vereinigt sie mit der nachträglich angesaugten Luft. Auf diese Weise entsteht der angestrebte große, energiereiche Wirbel, der ein reiches Gemisch im vorderen Bereich der Ansaugkammer ansammelt und dort den Kraftstoff sehr günstig aufbereitet.

Der Aufbau der energiereichen Zirkulationsströmung oder Drallströmung wird dadurch unterstützt, daß die Kolbenmulde ihre MaximJtiefe im nacheilenden Bereich hat.

Erfindungsgemäß kann ferner mindestens ein Einlaßkanal im Gehäusemantel vorgesehen sein. Alternativ dazu besteht nach der Erfindung die Möglichkeit, daß in jedem Seitenteil mindestens ein Einlaßkanal vorgesehen ist.

Um die Gemischschichtung zu unterstützen, ist es vorteilhaft, daß im Gehäusemantel in axialem Abstand zum Einlaßkanal mindestens eine Zusatzöffnung vorgesehen ist derart, daß eine Rückströmung der Luft in den nacheilenden Bereich der Ansaugkammer verhindert wird.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand bevorzugter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eint Kreiskolben-Brennkraftmaschine,

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Teil des Kolbens entlang der Linie H-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Abschnitt der Innenfläche des Gehäusemantels, wobei die Lagezuordnung der öffnung des Einlaßkanals und eines Paares von Zusatzöffnungen dargestellt ist,

Fig. 4 einen schematischen Querschnitt durch einen Teil einer abgewandelten Kreiskolben-Brennkraftmaschine,

Fig. 5 einen schematischen Schnitt durch die Ansaugkammer der Vorrichtung nach Fig. 4, wobei das Verhältnis zwischen der Anordnung der Einlaßkanäle und dem Strömungsbild des in die Ansaugkammer eingebrachten Arbeitsmediums dargestellt ist.

Nach den Fig. 1 bis 3 weist die Kreiskolbenkraftmaschine ein auf dem Umfang liegendes Steueröffnungssystem mit einem Einlaßkanal 6 und einem im Abstand dazu liegenden Auslaßkanal 13 auf. Die öffnungen dieser Kanäle sind im Gehäusemantel 2 vorgesehen, der eine im wesentlichen epitrochoidenförmige Innenwandungskontur S besitzt. Der Gehäusemantel 2 bildet zusammen mit einem Paar von Seitenteilen 3a und 3b ein Gehäuse.

Innerhalb des Gehäuses 1 ist ein Kolben 4 vorgesehen. Er sitzt auf einer Abtriebswelle 10 und seine Spitzenabschnitte sowie seine Seitenflächen stehen dabei jeweils im Eingriff mit der Mantelinnenfläche des Gehäusemantels 2 und den einander gegenüberliegenden Innenflächen der Seitenteile 3a und 3b. Weiterhin trägt der Gehäusemantel 2 eine vordere Zündkerze 12a und eine hintere Zündkerze 12 b.

Wie es sich insbesondere aus Fig. 1 ergibt, ist erfindungsgemäß der Einlaßkanal 6 in Drehrichtung R des Kolbens 4 geneigt, und zwar um einen Winkel, dessen Wahl sich noch aus der folgenden Beschreibung ergibt. Der Einlaßkanal 6 öffnet sich in die Ansaugkammer S, die von einer der Kolbenflanken 8 des Kolbens 4, von den Seitenteilen 3a und 3b und von dem zucehörieen Abschnitt der Mantelinnenfläche begrenzt wird. Es sei darauf hingewiesen, daß jede Kolbenflanke 8 eine Mulde 9 von im wesentlichen bogenförmiger Gestalt besitzt. Der Querschnitt einer solchen Kolbenausnehmung ergibt sich aus Fig. 2.

Bezogen auf die Drehrichtung des Kolbens 4, liegt jede Mulde 9 im vorderen Abschnitt der zugehörigen Kolbenflanke 8.

Durch den Gehäusemantel 2 erstreckt sich in bekannter Weise eine Einspritzdüse 7.

ίο Aus Gründen, die im folgenden noch klarer werden, können Zusatzöffnungen 11 im Gehäusemantel 2 ausgebildet sein. Sie erstrecken sich senkrecht zum Einlaßkanal 6 und liegen zu beiden Seiten der zum Einlaßkanal gehörenden öffnung in der Mantel-

X₅ innenfläche, wie es sich aus Fig. 3 ergibt.

Bei dieser Anordnung wird der Neigungswinkel des Einlaßkanals 6 relativ zum Gehäusemantel so gewählt, daß die durch den Einlaßkanal 6 in die Ansaug kammer S eintretende Luft anfänglich gegen einen Bereich der Mantelinnenfläche gerichtet wird, welcher benachbart demjenigen Punkt liegt, an dem die große Achse die Mantelinnenwandungskontur 5 schneidet. Sodann wird die Luft entlang der Mantelinnenfläche gegen den in Drehrichtung des Kolbens 4 voreilenden bzw. vorne liegenden Bereich der Ansaugkammer S geleitet. Schließlich strömt die Luft zurück gegen die Mantelinnenfläche, und zwar entlang der Bodenfläche der Kolbenmulde 9. Sie vereint sich dabei mit dem nachfolgenden Luftstrom, der während des Ansaugvorganges kontinuierlich in die Ansaugkammer S eingeführt worden ist. Diese Vorgänge sind in Fig. 1 durch eine Pfeilkette α angedeutet. Während die eingebrachte Verbrennungsluft innerhalb der Ansaugkammer S in der oben beschriebenen Weise zirkuliert, wird während des Betriebes außerdem von der Einspritzdüse 7 Kraftstoff eingespritzt, und zwar unter einem vorgewählten Einspritzwinkel und unter geeignet gesteuertem Druck. Dieser eingespritzte Kraftstoff trifft auf denjenigen Strom der Verbrennungsluft, der durch den Einlaßkanal 6 in die Ansaugkammer S eingebracht worden ist. Er mischt sich mit der Verbrennungsluft und zirkuliert schließlich unter der Führung des Verbrennungsluftstromes im vorderen Bereich der Ansaugkammer S, ohne in wesentlichem Umfang in den hinteren Bereich dieser Kammer zu gelangen.

Weiterhin ist auf folgendes hinzuweisen. Entlang der Bodenfläche der Kolbenausnehmung 9 wandert eine Front von Verbrennungsluft zurück zum nachfolgenden Luftstrom. Zum Zeitpunkt der Vereinigung mit diesem Luftstrom hat sich die Geschwindigkeit der Front von Verbrennungsluft etwas gegenüber der Geschwindigkeit des nachfolgenden Luftstromes vermindert. Dementsprechend findet die Vereinigung zwischen der Front und dem nachfolgenden Luftstrom im wesentlichen derart statt, daß die Front in diesen nachfolgenden Luftstrom eingesaugt oder hineingezogen wird. Daraus resultiert eine im wesentlichen zirkulierende oder drallförmige Strömungsverteilung im vorderen Abschnitt der Kammer S.

Dreht sich der Kolben 4 in Richtung des Pfeiles R, so kommt es zur Beendigung des Ansaugvorganges innerhalb der ihrem Volumen nach veränderbaren Ansaugkammer S. Wenn der Ansaugvorgang beendet

₆, ist, herrscht eine Schichtung der Ladung, und zwar befindet sich ein reiches Gemisch im vorderen Abschnitt, während der hintere Abschnitt ein mageres Gemisch enthält. Während des nachfolgenden Zünd-

Vorganges kann also das reiche Gemisch als erstes von der Zündkerze gezündet werden, während das magere Gemisch von der Flamme gezündet wird.

Die oben beschriebene Schichtung der Ladung ist insbesondere dann von wesentlicher und vorteilhafter Bedeutung, wenn der Motor unter geringer Last läuft und wenn man es vorzieht, den Öffnungsquerschnitt des Einlaßkanals 6 in der Mantelinnenfläche relativ klein zu machen, mit der Maßgabe, daß sich das über dem Umfang verteilte Öffnungssystem mit dem durch den Gehäusemantel 2 hindurchgehenden Einlaßkanal 6 für die Schichtung eignet. Da der Motor beispielsweise bei einer Verwendung in Fahrzeugen nicht immer unter geringer Last betrieben wird, kann man jedoch in Kombination mit dem Einlaßkanal 6 zusätzliche Ansaugmittel vorsehen, durch die die Verbrennungsluft beim Betrieb des Motors unter hoher Last eintritt. Diese zusätzlichen Einlaßmittel können die Form von bekannten Seitenöffnungen haben, die jeweils in den Seitenteilen des Gehäuses vorgesehen sind.

Verwendet man hierfür, was jedoch nicht unbedingt erforderlich ist, die Zusatzöffnungen 11, so kann man sie dazu benutzen, einen sogenannten Luftvorhang vor dem vorderen Bereich der Ansaugkammer S aufzubauen. Anders ausgedrückt bedeutet dies, daß die Luftströme, die aus den jeweiligen, zu beiden Seiten des Einlaßkanals 6 liegenden Zusatzöffnungen 11 austreten, anfänglich gegen die Kolbenflanke gerichtet werden, ohne den aus dem Einlaßkanal 6 austretenden Luftstrom zu kreuzen. Sie treten dabei in einer Art und Weise auf der Kolbenflanke 8 auf, wie es durch die Pfeilkette b in Fig. 1 angedeutet ist. Anschließend fließen die aus den Zusatzöffnungen 11 austretenden Luftströme teils zur hinteren Seite der Ansaugkammer 5 und teils in Richtung auf deren vorderen Bereich, ohne jedoch den Rückstrom der Verbrennungsluft oder des Luft-Kraftstoff-Gemisches zu stören, der im vorderen Bereich stattfindet. Der auf diese Weise durch den Luftaustritt aus den Zusatzöffnungen 11 aufgebaute Luftvorhang bildet einen Abschluß für das reiche Gemisch innerhalb einer Zone im vorderen Bereich der Ansaugkammer S, so daß die Schichtung der Ladung in zufriedenstellender Weise im wesentlichen während des Ansaugvorganges aufrechterhalten bleibt.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 4 und 5 weist die Kreiskolben-Brennkraftmaschine ein seitliches System von Öffnungen auf, und zwar sind Einlaßkanäle 14a und 14b in den jeweiligen Seitenteilen 3a und 3b ausgebildet. Diese Einlaßkanäle 14a und 14b sind gegenüber den zugehörigen Seitenteilen 3a und 3 b derart geneigt, daß die aus ihnen austretenden Luftströme in eine Richtung weisen, die im wesentlichen parallel zur Drehrichtung des Kolbens 4a verläuft, wobei die Luftströme kreuzweise bzw. gegeneinander gerichtet sind und dementsprechend oberhalb und im wesentlichen mitten über der Kolbenflanke 8a aufeinandertreffen, wie es die Pfeilketten ,₅ gemäß Fig. 4 zeigen. Die aufeinandertreffenden Luftströme fließen dann entlang der Innenfläche des Gehäusemantels la weiter in Richtung auf den Vorderabschnitt der Ansaugkammer Q. Dies ergibt sich aus den Pfeilketten in Fig. 4. Sodann setzt ein Rückstrom ein, und zwar entlang der Bodenfläche der Kolbenmulde 9a. Dies entspricht im wesentlichen den vorher im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Verhältnissen.

Dieser Strömungsverlauf ergibt sich nicht nur daraus, daß die Einlaßkanäie 14a und 14b relativ zu ihren zugehörigen Seitenteilen 3a und 3b im wesentlichen parallel zur Drehrichtung des Kolbens 4a geneigt sind, sondern auch daraus, daß die Austrittsabschnitte der Einlaßkanäle 14a und 146 nahe ihren öffnungen jeweils gegen einen Bereich auf der Mantelinnenfläche rund um denjenigen Punkt gerichtet sind, an welchem sich die große Achse mit der Mantelinnenwandungskontur 5a schneidet. Dies bedeutet, daß die Mantelinnenfläche dort eine relativ starke Krümmung besitzt. Die Kolbenmulde 9a nach Fig. 4 besitzt ihre Maximaliiefe im hinteren A.bschnitt, bezogen auf die Drehrichtung des Kolbens 4. Auch besitzt sie dort eine sehr viel stärkere Krümmung als im vorderen Abschnitt. Für das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 4 und S gilt gleichermaßen, daß die Schichtung der Ladung in zufriedenstellender Weise vom Ansaugvorgang bis zum Verbrennungsvorgang aufrechterhalten werden kann, d. h., während derjenigen Zeitspanne, in der sich die Ansaugkammer bei Drehung des Kolbens 4a in die Verbrennungskammer verwandelt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Ii

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kreiskolben-Brennkraftmaschine mit Brennstoffeinspritzung und Zündkerze, bestehend aus einem mehreckigen, in seinen Flanken mit jeweils einer Mulde versehenen Kolben und einem diesen umgebenden, mindestens einen Einlaßkanal und einen Auslaßkanal aufweisenden Gehäuse mit Seitenteilen und einem Mantel, an dem eine Brennstoffeinspritzvorrichtung angeordnet ist, die den Brennstoff in eine Ansaugkammer einspritzt, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) Die Kolbenmulde (9, 9a) liegt jeweils im voreilenden Bereich der Kolbenflanke (8, 8«),

b) der Einlaßkanal (6,14) ist derart geneigt, daß die einfließende Luft im wesentlichen auf den Punkt gerichtet ist, in dem die große Achse ao des Gehäusemantels (2) den kalten Bogen der Mantelinnenwandungskontur (5) schneidet.

2. Kreiskolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die KoI-benmulde (9a) ihre Maximaltiefe im nacheilenden Bereich hat.

3. Kreiskolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Einlaßkanal (6) im Gehäusemantel (2) vorgesehen ist.

4. Kreiskolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Seitenteil (3a, 3b) mindestens ein Einlaßkanal (14a, 14b) vorgesehen ist.

5. Kreiskolben-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäusemantel (2) in axialem Abstand zur öffnung des Einlaßkanols (6,14) jeweils mindestens eine Zusatzöffnung (11) vorgesehen ist derart, daß eine Rückströmung der Luft in den nacheilenden Bereich der Ansaugkammer (S, Q) verhindert wird.