DE2556720A1

DE2556720A1 - Fremdgezuendete hubkolben-brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2556720A1
Application number: DE19752556720
Authority: DE
Inventors: Karl-Walter Dipl Ing Schmidt
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1975-12-17
Filing date: 1975-12-17
Publication date: 1977-06-23
Also published as: FR2335698A1; SE7614261L; JPS5274710A; US4143624A

Description

Daimler-Benz Aktiengesellschaft
Stuttgart-Untertürkheim

Dciim Io kko/k 11.12.75

Fremdgezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine fremdgezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Brennraum, der im oberen Totpunktsbereich in zwei Räume unterteilt ist, zwischen denen im Bereich des Kolbenrandee eine Querverbindung besteht und deren einem die Zündquelle zugeordnet ist, zwischen der und der Querverbindung dieser Raum einen Brennkanal bildet.

Bei einer bekannten Konstruktion dieser Art soll durch eine derartige Ausgestaltung das Ausströmen unverbrannter Gase
im Überschneidungsbereich der Öffnungszeiten von Einlaß- und Auslaßorganen verhindert werden und es sollen gleichzeitig
auch Verbrennungstotzonen vermieden werden. Insgesamt sollen diese Maßnahmen zur Verminderung des Schadstoffgehaltes der Abgase derartiger Brennkraftmaschinen dienen.(DT-OS 2 455 96o)

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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Heizgesetz, also den Verbrennungsablauf bei derartigen Brennkraftmaschinen dahingehend zu beeinflussen, daß sich ein niedriger Stickoxidanteil ergibt und daß durch Beschleunigung der Verbrennung ein niedriger spezifischer Kraftstoffverbrauch erreicht wird.

Gemäß der Erfindung ist dies bei einer fremdgezündeten Hubkolben-Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art dadurch zu erreichen, daß die Zündung erst nach Trennung des KompressionsvoluBiene in die beiden Räume erfolgt.

Zur Trennung des Kompressionsvoluraens in die beiden Räume ist es dabei I'm Rahmen der Erfindung möglich, gegeneinander gerichtete, kolben- und zylinderseitige Stege vorzusehen, die sich im Totpunktsbereich unter Bildung eines Spaltes überlappen.

Eine weitere erfindungsgemäße Möglichkeit zur Trennung der beiden Räume besteht darin, den Brennkanal dem Zylinder zuzuordnen und angrenzend an den Kolbenumfang derart vorzusehen, daß er von deP> Kolben überfahrbar, d. h. also, gegenüber dem zweiten Raun im wesentlichen auch abgrenzbar ist.

Die Abtrennung der beiden Räume vor der Zündung und die Bildung eines Brennkanales durch den einen dieser Räume bietet, wie Versuche gezeigt haben, die Möglichkeit, die Verbrennungsgeschwindigkeit im Hinblick auf einen angestrebten Brennver-

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lauf zu beeinflussen, und zwar dadurch, daß der Querschnittsverlauf des Brennkanals von der Zündkerze aus senkrecht zur Bewegungerichtung der Flammfront etwa proportional zum vorgegebenen Brennverlauf gestaltet wird, wobei eine Verringerung des Querschnitte eine Erhöhung der Brenngeschwindigkeit zur Folge hat. Diese Möglichkeit des Eingriffs in den Brennverlauf bildet die Voraussetzung dafür, daß mit einer hohen Verdichtung £, gefahren werden kann, ohne daß Selbstzündungen

entstehen, da der Höchstdruck ρ im Brennraum durch den ge-' * max

nannten Querschnittsverlauf entsprechend gesteuert werden kann. Es kommt damit zu keinen SelbstZündungen unverbrauchter Gemischanteile während des Verbrennungsablaufes. Das mögliche hohe Verdichtungeverhältnis £. führt weiter auch zu einem kleinen Kraftstoffverbrauch, und die Begrenzung des Spitzendruckes mindert das Verbrennungsgeräusch, so daß sich insgesamt gesehen trotz hoher Verdichtung Selbstzündungen ausschließen lassen und eine weiche Verbrennung erzielen läßt.

Die Einflußnahme auf den Spitzendruck und die Möglichkeit zu dessen Begrenzung beinhaltet auch die Möglichkeit, die Temperaturen so abzusenken, daß eine Stickoxidbildung/vermieden wird .

Andererseits führt die Möglichkeit, ein hohes Verdichtungsverhältnis trotz der vorerwähnten Vorteile zu fahren, dazu, daß ohne die Gefahr von Zündaussetzern ein verhältnismäßig mageres Gemisch verwendet werden kann, womit der Anteil von Kohlenmonoxid in den Abgasen herabgesetzt werden kann*

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Schließlich hat die Umlenkung der Verbrennung zur Folge, daß die Flammfront als solche langer als bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen erhalten bleibt, wodurch auch noch jene Gemischanteile erfaßt werden, die beim Druckabfall aus den Spalträumen austreten und wodurch der Anteil an Kohlenwasserstoffen in den Abgasen gering gehalten werden kann·

Über die genannten Vorteile hinaus bietet bei der erfindungsgemäßen Lösung die Unterteilung in zwei Brennräume noch den Vorteil, daß sich in einfacher Weise eine Schichtung der Gemischladung erreichen läßt, ohne daß eine gesonderte Kammer vorgesehen werden müßte, so daß die bei bekannten, mit Kammern und Schichtladung arbeitenden Maschinen auftretenden Nachteile - mangelnde Spulung der Kammer - vermieden werden.

Ein besondere einfacher Aufbau, bei dem zudem in vorteilhafter Weise eine Schichtung zu erreichen ist, läßt sich insbesondere bei jenen Lösungen erreichen, bei denen der Brennkanal« dem Zylinder zugeordnet, angrenzend an den Kolbenumfang vorgesehen und durch den Kolben überfahrbar ist, wobei der Brennkanal bevorzugt im Übergang zwischen Zylinderkopf und Zylinderblock vorgesehen werden kann· Die Anordnung des Brennkanals erfolgt dabei bevor-" zugt so, daß er von dem aus dem Einlaßventil austretenden Gemisch zunächst durchströmt wird. Die Kraftstoffteilchen lagern sich dann in dem sackförmigen Brennkanal ab und fetten dadurch das Gemisch im Zündkerzenbereich an.

Auch eine Anordnung des Brennkanals im Zylindermantel ist möglich, und es erweist sich bei jenen Lösungen, bei denen der Brennkanal dem Zylinder zugeordnet ist, als zweckmäßig, wenn der Brennkanal sich etwa über den halben Kolben- bzw. Zylinderumfang erstreckt.

Der dem Zylinder zugeordnete Brennkanal kann in einfacher Weise durch einen überhöht ausgebildeten Kolbenteil übersteuert werden, der den die Zündquelle enthaltenden Brennkanal bis auf

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den von der Zündquelle abgelegenen Endbereich überdeckt. Dieser Endbereich des Brennkanals mündet auf einen tiefer gelegenen Kolbenbereich aus, der sich in Draufsicht auf den Kolben als eine sichelförmige Vertiefung darstellen kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt gemäß Linie I-I in Fig.

durch eine Hubkolben-Brennkraftmaschine,

Fig. 2 einen Schnitt gemäß Linie II-II in Fig.

Fig. 3 einen Vertikalschnitt gemäß Linie III-III

in Fig. k durch eine weitere Ausführungsform einer Hubkolben-Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung, und

Fig. k einen Schnitt gemäß Linie IV-IV durch die

Brennkraftmaschine gemäß Fig. 3·

In den Fig. 1 und 2 ist in schematisierter Darstellung der Zylinderkopfbereich eines Zylinders einer Hubkolben-Brennkraftmaschine dargestellt, bei der mit 1 der Zylinderblock eines Zylinders bezeichnet ist, in dessen Bohrung 2 ein Kolben 3 angeordnet ist und der nach oben durch den Zylinderkopf k abgedeckt ist. In dem Kopf k sind ein Einlaßventil 5 und ein Auslaßventil 6 angeordnet.

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- Sr - Da im Io 9ko/k

Wie sich aus den Darstellungen gemäß Fig. 1 und 2 ergibt, ist der Brennraum des gezeigten Zylinders im dargestellten oberen Totpunktsbereich des Kolbens 3 in zwei Räume 71 8 unterteilt, zwischen denen im Bereich des Kolbenrandes eine Querverbindung 9 besteht. Ausgehend von der Querverbindung erstrecken sich die beiden Brennräume jeweils nahezu über den halben Kolbenumfang und sind voneinander durch sich in diesem oberen Totpunktsbereich überlappende Teile Io des Kolbens 3 und 11 des Zylinderkopfes k voneinander getrennt. Das am Kolben vorgesehene Teil Io stellt sich als eine vom Kolbenboden ausgehende Erhöhung mit in Kolbenachsrichtung abfallender senkrechter Wand 12 dar. Das zylinderkopfseltige Teil 11 entsteht durch eine in den Zylinderkopf einspringende Stufe mit in Zylinderacherichtung verlaufender, der Wand 12 der Erhöhung Io zugewandter Begrenzungewand 13· Die Wände 12 und 13 bilden einen Spaltraum, der sich bis zur Querverbindung 9 nahezu über die ganze Breite des Kolbens erstreckt und die beiden Räume 7 und 8 voneinander derart trennt, daß ein Überspringen der Flammfront im oberen Totpunktsbereich nur über die Querverbindung 9 möglich ist. Hierdurch ergibt sich ausgehend von der Zündquelle l4, welche am von der Querverbindung 9 abgelegenen Ende des Raumes 7 vorgesehen ist, eine Ausbreitung der Flammfronten über den als Brennkanal auegebildeten Raum 7 und die Querverbindung 9 in den Raum 8. Die Geschwindigkeit der Durchbrennung, also des Fortschreitens der Flammfronten auf den genannten, in der Zeichnung durch die Strichlinie 15 ange-

einerpeits deuteten Weg läßt sich dabei/durch den Querschnitt des

Brennkanales 7 senkrecht zur Fortbewegungsrichtung der

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Daim Io kko/k

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Flanwnfront bestimmen! wobei die Fortbewegungsgeschwindigkeit um so größer wird, je kleiner der jeweilige Querschnitt ist. Veiter nimmt auch der Querschnittsverlauf des Raumes 8 Einfluß auf die Geschwindigkeit der Durchbrennung, wo der Querschnitt beispielsweise durch Vertiefungen oder Erhöhungen am Kolben variiert werden kann. Durch die jeweilige Querschnittsbemessung kann also Einfluß auf den Ablauf der Verbrennung und damit auf das Heizgesetz genommen werden.

Entsprechende QuerschnittsVeränderungen sind im Ausführungsbeispiel durch den Verlauf der Wand l6 der Erhöhung Io des Kolbens erreicht, wobei die Wand l6 im Ausführungsbeispiel ebenfalls sich in Richtung der Kolbenachee erstreckt und die der Wand 12 gegenüberliegende Begrenzung der Erhöhung Io bildet.

Auch in den Fig. 3 ^u**d 4 ist eine schematische Darstellung des Zylinderkopfbereiches eines Zylinders einer Hubkolben-Brennkraftmaschine gezeigt, und es ist in diesem Aueführungsbeispiel der Zylinderblock mit Io1, die Zylinderbohrung mit Io2 und der Kolben mit Io3 bezeichnet. Auf den Block lol ist der Zylinderkopf Io4 aufgesetzt, in dem das Einlaßventil Io5 und das Auslaßventil Io6 vorgesehen sind. Der Brennraum der Maschine umfaßt in der dargestellten oberen Totpunktslage wiederum zwei Räume Io7, Io8, die in dieser oberen Totpunktslage lediglich über die Querverbindung Io9 in Verbindung stehen und von denen der Raum io8 vom Kolben Io3 gegenüber dem Zylinderkopf abgegrenzt ist und oberhalb des Kolbens liegt« während der Raum Io7 im Nahtbereich zwischen Zylinderblock lol und Zylinderkopf Io4 vorgesehen und bis auf die Querverbindung Io9 über den Kolben Io3, bezogen auf dessen Lage im oberen Totpunktsbereich, abgesteuert ist.

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Die Absteuerung erfolgt dadurch, daß der Kolben bis auf den Bereich der Querverbindung zumindest über den Umfangebereich, über den sich der Raum Io7 erstreckt, mit einer Bodenerhöhung Ho versehen ist, die gegenüber dem Bodenteil 111 zumindest um den Betrag angehoben ist, d#r der axialen Höhe des Raumes Io7 ent-* spricht. Der erhöhte Teil Ho verläuft im dargestellten Ausführungsbeispiel etwa sichelförmig über den dem Raum Io7 zugewandten Kolbenbereich, so daß sich der Teil 111 demgegenüber als randoffene Vertiefung des Kolbons darstellt. Auf diese randoffene Vertiefung mündet der Raum Io7 aus, an dessen von der Querverbindung Io9 abgelegenen Ende die Zündquelle 11*» vorgesehen ist.

Oberhalb des Kolbens Io3 liegen die Ventile Io5 und lo6, von denen das Einlaßventil Io5 mit dem zugeordneten Einlaßkanal 117 so angeordnet ist, daß die eintretenden Frischgase bevorzugt etwa tangential in Richtung auf die Zündquelle llk in den Raum Io7 einmünden. In diesem ergibt sich aufgrund der taschenförmigen Ausbildung in dem der Zündquelle Il4 zugeordneten, dem Einlaßkanal in bezug auf die Zylinderachse etwa gegenüberliegenden Endbereich eine Gemischanreicherung durch Kraftstoffablagerung, und zwar mit der Folge einer gewissen Ladungsschichtung.

Die Anordnung des Raumes Io7 radial außerhalb des Kolbens ermöglicht eine vorteilhafte Übersteuerung dieses Raumes und damit die Bildung einer gespülten Nebenkammer ohne gesonderte Steuerventile.

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Auch bei dieser Ausführungsform läßt sich der Querschnitt im Raum I07 im Hinblick auf die Beeinflussung des Verbrennungsablaufes, also im Hinblick auf die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Flammfronten variieren, so daß sich die vorteilhaften, bereits geschilderten Verfahrensabläufe ergeben.

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Claims

Da im 1o 9ko/k Ansprüche

1.} Fremdgezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem
Brennraum, der im oberen Totpunktebereich in zwei Räume unterteilt ist, zwischen denen im Bereich des Kolbenrandes eine Querverbindung besteht und deren einem eine
Zündquelle zugeordnet ist, zwischen der und der Querverbindung dieser einen Brennkanal bildet, dadurchgekennzeichnet , daß die Zündung nach Trennung des Brennraumes in die beiden Räume (7, 8 bzw. Io7, Io8) erfolgt.

2. Fremdgezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» daß zur Trennung der beiden Räume (7, 8) gegeneinander
gerichtete, kolben- und zylinderseitige Teile (lo, 11)
vorgesehen sind, die sich im Totpunktsbereich unter Bildung eines Spaltes überlappen.

3· Fremdgezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennkanal (Raum Io7) angrenzend an den Kolbenumfang vorgesehen und durch den Kolben (I03) überfahrbar
ist.

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Da im Io kka/k

4. Fremdgezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Brennkanal (Raum Io7) im Übergang zwischen Zylinderkopf (lo4) und Zylinderblock (lol) vorgesehen ist.

5· Fremdgezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der dem Zylinder zugeordnete Brennkanal (Raum Io7) sich etwa über den halben Zylinderumfang erstreckt .

6. Fremdgezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 5i dadurch gekennzeichnet, daß der dem Zylinder zugeordnete Brennkanal (Raum lo?) durch einen überhöhten Kolbenteil (llo) übersteuerbar und dabei bis auf die in dem von der Zündquelle (ll4) abgewandten Endbereich vorgesehene Querverbindung (lo9) abgedeckt ist.

7. Fremdgezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 ^bls 6, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Zylinder zugeordnete Brennkanal (Raum Io7) dem Einlaßkanal in seiner Lage so zugeordnet ist, daß der Strahl des einströmenden Gemisches auf diesen Brennkanal gerichtet ist.

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