DE2607561A1

DE2607561A1 - Gemischverdichtende brennkraftmaschine, insbesondere viertaktmaschine

Info

Publication number: DE2607561A1
Application number: DE19762607561
Authority: DE
Inventors: Karl-Walter Dipl Ing Schmidt
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1976-02-25
Filing date: 1976-02-25
Publication date: 1977-09-01
Also published as: SE7702067L; FR2342400A1; GB1563583A; JPS52102911A; SE427371B; US4170966A; FR2342400B1

Description

Daimler-Benz Aktiengesellschaft Palm 10 6h\/h

Stuttgart-Untertürkheim 23.2.76

Gemischverdichtende Brennkraftmaschine, insbesondere Viertaktmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine gemischverdichtende Brennkraftmaschine, insbesondere'Viertaktmaschine, mit im Kolben oder im Zylinderkopf angeordnetem Brennraum und im Zylinderkopf liegender Zündquelle.

Bei bekannten fremdgezündeten Brennkraftmaschinen wird die Zündung an der Stelle im Brennraum eingeleitet, wo das Gemisch am kompaktesten angesammelt ist, um neben kurzer Brennwege eine kurze Brenndauer mit schneller Umsetzung der chemischen Energie des Gemisches in Wärmeenergie zu erhalten.

Durch derartige Maßnahmen soll eine kurzzeitige Verbrennung des Gemisches bei niedrigem Schadstoffgehalt der Abgase erreicht werden.

Nachteilig bei Brennkraftmaschinen dieser Art sind jedoch die Spalträume außerhalb des kompakten Brennraumteiles bis hin zu den Abdichtungen, da in diesen engen Räumen nur eine unvollständige Verbrennung des Gemisches stattfindet. Bei einer Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses würde zwangsläufig der Volumenanteil der Spalträume zunehmen, was zu einem unvermeidbaren Anstieg an Kohlenwasserstoffen im Abgas führt und sich außerdem auf den Kraftstoffverbrauch ungünstig auswirkt.

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Aufgabe der Erfindung ist es nunmehr, durch besondere Maßnahmen den Verbrennungsablauf bei derartigen Brennkraftmaschinen so zu beeinflussen, daß durch eine verkürzte Brenndauer des Hauptteiles der Gemischladung sowie durch höhere Verdichtungsverhältnisse eine Energieumsetzung stattfindet, die eine Verminderung des Kraftstoffes und eine Senkung des Anteils an Kohlenwasserstoffen im Abgas ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelost, daß das Hauptvolumen des Brennraumes - in Draufsicht gesehen - durch Kreisbögen begrenzt ist, von denen der der ZUndquelle am nächsten liegende Kreisbogen konzentrisch oder annähernd konzentrisch zur ZUndquelle angeordnet ist, an die sich ein in diesem Bereich des Zylinderkopfes angepaßter Teil des Kolbens derart eng annähert, daß in dem zwischen Zylinderkopf und dem Teil des Kolbens sich bildenden Spalt zunächst ein kleinerer Teil der Ladung kurz vor dem Ende des Kompressionshubes gezündet und frühestens ab dem oberen Totpunkt des Kolben« der Hauptteil der Ladung verbrannt wird.

Infolge dieser getroffenen Maßnahmen wird bis zum oberen Totpunkt des Kolbens zunächst der kleine Teil der Ladung in den Spaltraum von der Flamme erfaßt, die dann in ihrer ganzen Flammfrontbreite in das Hauptvolumen des Brennraumes gleichzeitig eintritt bzw. einbrennt und dies·· schließlich bis zur äußeren Begrenzung durchläuft.

Die dazu benötigte Zeit ist sehr kurz, da - ausgehend von der ZUndquelle - die radiale Erstreckung des Hauptvolumens des Brennraumes klein ist, das bedeutet, daß der Hauptteil der Ladung in kurzer Zeit nach den oberen Totpunkt abbrennt.

Der aus dem Brenngemisch gewonnene Druck über dem Kolben ist kurz nach OT in voller Höh· erreicht und kann über den vollen Kolbenhub in Bewegungsenergie umgewandelt werden.

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Durch die sehr schnelle Verbrennung direkt nach OT ist somit eine optimale Umsetzung der Gemischenergie in Bewegungsenergie erreicht, wodurch sich ein niedriger spezifischer Kraftstoffverbrauch und ferner eine Verminderung der Kohlenwasserstoffe im Abgas ergibt.

Ein den Kraftstoffverbrauch und den Anteil der Kohlenwasserstoffe im Abgas senkender Verbrennungsablauf läßt sich insbesondere

der bei solchen Lösungen erreichen, bei denen/längste Bogen der Flammfront im Ilauptvolumen des Brennraumes größer ist als der Abstand zwischen der Zündquelle und der äußeren Begrenzung des Hauptvolumens des Brennraumes.

Bei Brennkraftmaschinen mit im Kolben angeordnetem Hrennrauiu kann erfindungsgemäß der Hauptteil der Ladung sich in einer ringsegmentartig ausgebildeten Brennraummulde befinden, die in bevorzugter AusfUhrungsform nierenförmige Gestalt aufweisen kann, wobei deren äußerer die Brennraummulde begrenzender Kreisbogen mit geringem Abstand vom Kolbenrand weg angeordnet ist und sich etwa Über den halben Kolbenumfang erstreckt.

Als weiteres Merkmal der Erfindung kann bei einer Brennkraftmaschine mit seitlich über dan Zylinderumfang hinausgehenden, hängend angeordneten Ventilen vorgesehen sein, daß der äußere die Brennraummulde begrenzende Kreisbogen an den ZyI inderumfang angrenzt und daß im Bereich der Ventile am Zylinderumfang Taschen so angeordnet sind, daß sie eine durchgehende Verlängerung der Brennraummulde bilden.

Boi dieser Brennraumgestaltung schließen eich die Taschen so kompakt an, daß eine Zerklüftung des Brennraum»s vermieden wird.

In einfacher Weise ist auch eine den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen entsprechende Charakteristik des Verbrennungs-

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ORiGiNAL !NSPECTEO

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ablaufes bei einer gemischverdichteriden Brennkraftmaschine mit vier im Zylinderkopf angeordneten Ventilen erreichbar, bei der sich der Hnuptteil der Ladung in einem ringförmig ausgebildeten, an dem Zylinderumfang angrenzenden oder annähernd angrenzenden Brennkanal befindet.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann bei einer gemischverdichtonden Brennkraftmaschine mit im Zylinderkopf angeordnetem Brennraum der den Haupt teil- der Ladung aufnehmende Brennraumteil vom inneren Kreisbogen bis zum äußeren Kreisbogen an Höhe zunehmen, wobei der äußere Kreisbogen im Bereich des Zylinderumfange s liegt.

Bei einer Brennkraftmaschine mit einer halbkugelförmig ausgebildeten Brennraumwand im Zylinderkopf ist jene Lösung vorteilhaft, bei der der Kolbenboden im Bereich der Zündquelle einen der Kugolform des ZyIindorkopfinneren angepaßten erhöhten Teil aufweist, von dem aus sich bis zur an den Zylinderumfang heranreichenden äußeren Begrenzung des Brennraumes das Hauptvolumen erstreckt.

Audi eine Anordnung des Brennkranais bei einer als Zweitakter ausgebildeten Brennkraftmaschine ist möglich, und es erweist sich auch bei jenen Lösungen, bei denen ein Brennkanal im Zylinderkopf angeordnet ist, als zweckmäßig, wenn sich der Hauptteil der Ladung in einem ringförmig ausgebildeten Brennkanal befindet, dessen äußere Begrenzung im Bereich des Zylinderumfanges liegt.

In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele dargestellt und im folgenden näher erläutert.

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Es zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit im Kolben angeordnetem Brennraum nach Linie I-I in Fig. 2,

Fig. 2 einen Schnitt gemäß Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung nach Linie III-III in Fig. k,

Fig. k einen Schnitt.gemäß Linie IV-IV in Fig. 3,

Fig. 5 einen Schnitt durch eine Brennkraftmaschine mit vier jedem Zylinder zugeordneten Ventilen gemäß der Erfindung nach der Linie V-V in Fig. 6,

Fig. 6 einen Schnitt gemäß Linie VI-VI in Fig. 5,

Fig. 7 einen Schnitt durch eine Brennkraftmaschine mit im Zylinderkopf angeordnetem Brennraum gemäß der Erfindung nach Linie VII-VII in Fig. 8,

Fig. 8 einen Schnitt gemäß Linie VIII-VIII in Fig. 7.

Fig. 9 einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung nach Linie IX-IX in Fig. 10,

Fig. 10 einen Schnitt gemäß Linie X-X in Fig. 9,

Fig. 11 einen Schnitt durch eine als Zweitakter ausgebildete Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung nach Linie XI-XI in Fig. 12 und schließlich

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Fig. 12 einen Schnitt gemäß Linie XTI-XII in Fig.-11.

Bei den folgenden beschriebenen freradgezündeten, als Viertakter oder als Zweitakter auegebildeten Brennkraftmaschinen ist das Hauptvolumen des Brennraumes - in Draufsicht gesehen - ringförmig oder ringsegmentförmig um eine ZUndquelle herum angeordnet, die so plaziert ist, daß sie zentral oder annähernd zentral auf einen Teil des Kolbens gerichtet ist, der sich bei der !Compressions* phase dem Zylinderkopf am engsten annähert.

Der zwischen Zylinderkopf und dem Teil des Kolbens entstehende und den kleinen Teil der Ladung fassende enge Spalt ist so bemessen, daß nach ZUndeinleitung die aus dem Spalt verdrängte Flamme in das Hauptvolumen des Brennraumes gleichzeitig bzw. fast gleichzeitig eintritt und in senr kurzer Zeit aufgrund der kurzen radialen Erstreckung des Hauptteiles des Brennraumes - von der ZUndquelle aus gesehen - durchläuft.

Die in dem Brennraumteil zunächst zurückbleibenden unverbrannten Kraftstoffanteile, die vor dem Maximum von Brennraumdruck und -Temperatur von der Flamme erfaßt wurden, werden schließlich durch die nachfolgende Druck- und Temperaturerhöhung infolge der Verbrennung im Hauptvolumen bzw. im Hauptteil des Brennraumes vollständig verbrannt, was sich schließlich auf die Abgaszusammensetzung insbesondere im Hinblick auf den Anteil von Kohlenwasserstoffen, positiv auswirkt.

Die AusfUhrungsbeispiel·, bei denen ein derartiger, den Kraftstoffverbrauch und den Anteil der Kohlenwasserstoffe im Abgas senkender Verbrennungsablauf zu erreichen ist,sind im einzelnen wie folgt beschrieben:

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Bei einer f remdge?iindeten Viertaktbrennkraftmaschine befindet sich der Brennraum 1 in einem in der Bohrung 2 eines Zylinderblocks 3 geführten Kolben h, dessen Kolbenboden 5 eine den Hauptteil der Gemisch ladung aufnehmende Brerinraummulde 6 (Fi/;. 1 und 2) aufweist, die gemäß Fig. 2 ri ngsegmon tf örniige Gestalt hat. Der abgeflachte erhöhte Teil 7 des Kolbenbodens 5 reicht bei oberer Totpunktlage des Kolbens h - diese Stellung ist in Fig. 1 gezeigt - bis kurz an den die Bohrung 2 nach oben abdeckenden Zylinderkopf β heran, so nah, daü zwischen Zylinderkopf H und erhöhten Teil 7 ein geringer Spalt O entsteht.

Die Plazierung der Zündkerze 10 ist an einer Stelle im Zylinderkopf 8 vorgesehen, wo der in diesem Bereich nur mit goringem Vo Iumonaη teil aufweisende Brennraum 1 in möglichst weiter Umgebung flach gestaltet ist, wobei die Spalthöhe so beimessen ist, daß die Gefahr des Verloschene der Flamme in diesem engen Spalt fj bzw. Spal traum vermieden wird.

Die sich ringsegmentfönnig um den flachen erhöhten Teil 7 und mit geringem Abstand vom Koll.enrand 11 weg erstreckende' Hrennraummulde 6 reicht mit ihren Enden etwa ί is an eine durch die Ventilachsen hindurchgehende Ebene 12 (Fig. 2) heran, wobei der innere Kreislogen 13 bzw. die innere Begrenzung der nierunförmig ausgebildeten Brenriraunmiulde 6 konzentrisch zur Zündkerze 10 angeordnet ist.

Infolge dor Gestaltung des Brennraumes I sowie infolge der besonderen Plazierung der Zündkerze 10 durchläuft die Flamme zunächst den flachen, spaltbreiten Brurmraumte i I. Dabei wird nur ein geringer Prozentsatz der Gemlschmasse verbrannt. Danach durchläuft die Flammfront die in Brennrichtung nur kurze Brerinraunnm.il de (> in sehr kurzer Zeit und erftuH den wesentlichen Ti) dos Gern i se lie s.

Die Zündung wird vor O.T. «so eingeleitet, da 1.1 die Fl<iniinf ront ab QT. gerade in die Brenriraiiinmuido 0 eingetreten ist. Dt· r in dieser

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- $ - Da im 10 6h\/k

Mulde znsnmmengofaOte HaupCteil der Ladung wird dadurch in außerordentlich kurzer Zeit in Wärem umgesetzt.

Das in den Fig. ") und h gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem zuvor beschriebenen darin, daß die im Zylinderkopf angeordneten Ventile lU, 15 seitlich am Zylinderumfang herausragen.

Um auch bei dieser Ausfiihrungsform den Vortei 1 einer Verminderung der Kohlenwasserstoffe und ferner den Voizug eines geringeren Kraftstoffverbrauches zu erreichen, sind am Zylinderumfang im Bereich der Ventile Ik, 15 Taschen 16, 17 vorgesehen, die mit der Brennraummulde 6 in Verbindung stehen und sozusagen eine Verlängerung dieser Mulde 6 bilden, wobei die äußere Begrenzung an den Zylirideriunfang angrenzt. Die Zündkerzenlage entspricht dem Ausführungsboispie1 gemäß Fig. 1.

P3ine andere Bronnraumgestaltung ist in den Fig. "> und (> dargestellt. Da bei dieser gemischvordichtenden Viertaktbrennkraftmaschine Jedem Zylinder jeweils zwei Einlaß- und Auelaßventile zugeordnet 'iind, ist der abgeflachte erhöhte Teil 7 zentral auf den Kolbenboden 5 plaziert. Der Teil 7 ist von einem den Haupt teil des Bronnraumvolumens aufnehmenden, ringförmig ausgebildeten Brennkanal 18 umgeben, der bis an den Zylinderumfang heranreicht.

Dir; Zündkerze 10 ist im Zylinderkopf 8 zwischen den vinr Ventilen so untergebracht, daß die Ziindkerzenachse 10 etwa der Kolbenaclisü 20 entspricht.

In Fig. 7 und 8 ist eine Anordnung einer Viertaktinaschine mit zwei Ventilen I'», 15 gezeigt, bei der der Brennraum 1 im Zylinderkopf 8 vorgesahen ist.

Der Hauptteil dieses Brennraumes 1 nimmt von der inneren bis zur äußeren Begrenzung an Höhe zu, wie aus Fig. 7 zu entnahmen ist.

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Da bei diesem Beispiel die Ventile 1Λ, 15 aufgrund ihrer großen Ausbildung über den Zylinderumfang seitlich herausragen (Fig. 8), sind auch hier Taschen 16, 17 als verlängerter Brennraum angeordnet, die im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 und h nicht im oberen Bereich in der Bohrung 2, sondern im Zylinderkopf 8 liegen.

Nicht nur mit dieser Anordnung ist eine Charakteristik des Verbrennungsablaufes im Hinblick auf eine Verminderung des Schadstoffgeha1tes der Abgase entsprechend den zuvor beschriebenen Ausführungen zu erzielen, sondern auch die an einer Viertaktmaschine mit halbkugelförmigem Brennraum im Zylinderkopf getroffenen Maßnahmen dienen in ähnlicher Weise zur Beeinflussung eines besseren Verbrennungsablaufes.

I)€«r in Fig. 0 gezeigte Kolbenboden 5 ist auf der dor Zündkerze 10 zugewandten Seite mit einem dem Zylinderkopfinneren angepaßten Höcker 21 versehen, der etwa in Kolbenmitte in den flachen, das Hauptvol um en aufnehmenden Brennrnumtoi1 ausläuft.

In Fig. 11 ist der Zylinderkopf 8 einer Zweitakt-Brennkraftmaschine gezeigt. In diesem Zylinderkopf R ist die Zündkerze 10 - bezogen auf den Zylinder - mittig plaziert und wird von einem im Zylinderkopf angeordneten ringförmigen Brennkanal 18 gemäß Fig. 12 umgeben, der radial nach außen an den Zylinderumfnng angrenzt.

Selbstverständlich kann der bei der Konipressionsendphase zwischen dem Zündbereich und dem Kolben entstehende enge Spaltraum 9 auch durch Erhöhungen vom Kolbenboden aus erreicht werden, wobei der Brennkanal 18 als Hingraum im Kolbenboden angeordnet ist.

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Leerseite

Claims

- y6 - Daim TO 6hi/k Ansprüche «1·J Gemischverdichtende Brennkraftmaschine, insbesondere Viertaktmaschine, mit im Kolben oder im Zylinderkopf angeordnetem Brennraum und im Zylinderkopf liegender Zündquelle, dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptvolumen des Brennraumes (i) - in Draufsicht gesehen - durch Kreisbögen begrenzt ist, von denen der der Zündquell θ (ΐθ) am nächsten liegende Kreisbogen ( 1 3 ) konzentrisch oder annähernd konzentrisch zur Zündquelle (1O) angeordnet ist, an die sich ein in diesem Bereich des Zylinderkopfes (8) angepaßter Teil (7) des Kolbens (k) derart eng annähert, daß in dem zwischen Zylinderkopf (8) und dem Teil (7) sich bildenden Spalt zunächst ein kleinerer Teil der Ladung kurz vor dem Ende des Kompressionshubes gezündet und frühestens ab dem oberen Totpunkt des Kolbens (8) der llauptteil der Ladung verbrannt wird. 2. Gemischverdichtende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der längste Bogen der Flammfront im Hauptvolumen des Brennraumes (i) größer ist als der Abstand zwischen der Zündquelle (1O) und der äußeren Begrenzung des Hauptvolumens des Brennraumes (i)·

1. Gemischverdichtende Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2 mit im Kolben angeordnetem Brennraum, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Hauptteil der Ladung in einer ringsegmentartig ausgebildeten Brennraummulde (6) befindet.

k. Gemischverdichtende Brennkraftmaschine nach den Atisprüchen bis 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennraummulde (ό) nierenförmigo Gestalt aufweist, deren äußerer die Brennraummulde (6) begrenzender Kreisbogen mit geringem Abstand vom Kolbenrand (11) weg angeordnet ist und sich etwa über den halben Kolbenumfang erstreckt.

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ORIGINAL INSPECTED

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1. Gemischverdichtende Brennkraftmaschine nacli den Ansprüchen 1 bis 3, mit seitlich über den Zylinderumfang hinausgehenden, hängend angeordneten Ventilen, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere die Brennraummulde (6) begrenzende Kreisbogen an den Zylinderumfang angrenzt und daß im Bereich der Ventile (ik, 1 =5) am Zylinder umfang Taschen (l6, 17) so angeordnet sind, daß sie eine durchgehende Verlängerung der Brennraummulde (6) bilden.

6. Gemischverdichtende Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, mit vier im Zylinderkopf angeordneten Ventilen, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Hauptteil der Ladung in einem ringförmig ausgebildeten, an dem Zylinderumfang angrenzenden oder annähernd angrenzenden Brennkanal (18) befindet.

7. Gemischverdichtende Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen

1 und 2, mit im Zylinderkopf angeordnetem Brennraum, dadurch gekennzeichnet, daß der den Hauptteil der Ladung aufnehmende Brennraumteil vom inneren Kreisbogen bis zum äußeren Kreisbogen an Höhe zunimmt, wobei der äußere Kreisbogen im Bereich des Zylinderunifanges liegt.

8. Gemischverdichtende Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen und 2, mit einer halbkugelförmig ausgebildeten Brennraumwand im Zylinderkopf, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenboden (">) im Bereich der ZUndquelle (io) einen der Kugelform des Zylinderkopfinneren angepaßten erhöhten Teil (7) aufweist, von dem sich bis zur an den ZyIinderumfang heranreichenden äußeren Begrenzung des Brennraumes (1) das Hauptvolumen erstreckt.

9. Gemischverdichtende Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen

1 und 2, als Zweitaktmaschine mit im Zylinderkopf angeordnetem Brennraum, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Hiiuptteil der Ladung in einem ringförmig ausgebildeten Brennkanal (i8) befindet, dessen äußere Begrenzung im Bereich des ZyI inderumfanges liegt.

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