-
Luftansaugende fremdgezündete Brennkraftmaschine
-
Zusatz zu Patent . ... ... (P 2G 36 659.6) Die Erfindung betrifft
eine luftansaugende fremdgezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff
von Anspruch 1, insbesondere zur Ausübung dos fletriebsverfaiirens nach Patent .
... ... (P 26 3G G59.G).
-
Im Hauptpatent wird Schutz für ein Detriebsverfaliren und eine entsprechende
Brennkraftmaschine begehrt, welche mit innerer Gemischbildung arbeitet und eine
vom Zylinderraum des Hubkolbens getrennte Brennkammer aufweist, in der das Gemisch
während der Komprossionsphase gebildet und anschließend fremdgezündet wird. Durch
dio innere Gemischbildung in einer baulich vom Zylinderraum des ilubkolbens getrennten
Kammer soll erreicht werden, daß in den Zwikkeln des Zylinderraumes keine unvollständig
verbrannten Ladungsbestandteile und somit schädliche Abeasbostandteile
entstehen;
diese Zwickel sind nämlich zumindest im Teillastbereich stets mit frisch angesaugter
Luft erfüllt.
-
Nachteilig an dem Motor gemäß Jlauptpatent ist, daß in dem Brennraum
nach einem Ladungswechsel ein relativ hoher Anteil von Abgas enthalten ist, woil
dieser Raum von der Ausschub- und Ansaugbewegung des Itubkolbens wegen der baulichon
Absonderung dieses Verbrennungsraumes von dem Zylinderraum kaum erfaßt wird.
-
Aufgabe der vorliegenden Zusatzerfindung ist es, Maßnahmen anzugeben,
wie auch im Hauptbrennraum oino Verringerung der Abgaskonzentration und somit insgesamt
eine Verbesserung der Abgaszusammensetzung herbeigeführt werden kann.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichiienden Merkmale
von Anspruch 1 gelöst. Aufgrund der erfindungsgemäßen zweifachen Öffnung des Verbrennungsraumes
in don Zylinderraum, von welchen Öffnungen die eine der Schirmströmung am Einlaßventil
entgegengestellt ist, kommt es beim Ansaugen der Frischluft zu einem intensiven
Spülen des Verbrennungsraumes und zu einer Vermischung der unvermeidlicherweise
in dem Arbeitsraum verbleibenden Restgason mit der angesaugten Frischluft. Dank
dieser Spülung ist der Sauerstoffgehalt im Verbrennungsraum höher als bei einer
nichtgespülten Anordnung. Außerdem wird durch den Spulvorgang und dem Kontakt der
Frischluft mit den heißen Wandungen des Vorbrennungsraumes das Temperaturniveau
der angesaugten Frischluft angehoben, was der späteren inneren Gemischbildung und
Gemischhomogenisierung förderlich ist.
-
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verbronnungskraf
tmnschi no wird dafür zu sorgen sein, daß ein möglichst hoher Anteil dor angesaugten
Frischluft gezwungen wird, durch den Verbrennungsraum hindurchzuströmon. Bei dor
an don Ansaugtakt anschließenden Kompressionsphase kann os zweckmäßig soin, don
Zylinderinlialt lediglich durch e ino der Brennraumöffnungen in don flronnraum hinein
zukomprimieren; hiorzu ist es vorteilhaft, an der Unterseito des Einlaßventiles
eino die Einströmöffnung überdeckende Schürze od. dgl. anzuordnen. Dio Kompression
dos Zylinderinhaltos in dem Verbrennungsraum über nur oino der beiden Brennraumöffnungen
kann dazu ausgenutzt werden, um einen Teil des eingespritzten Kraftstoffes in eine
baulich vom Brennraum gesonderte Zündkammer abzudrängen; die Einmündungsstelle der
Zündkammer in den Hauptbrennraum liegt zweckmäßigerweise in der Nähe der Ausströmöffnung
des Hauptbrennraumes in den Zylinderraum.
-
Damit dor Verbrennungsraum baulich im Zylinderkopf mit untergebracht
werden kann, damit aber seine beiden Öffnungen zum Zylinderraum liin in etwa parallel
zur Ventilhubrichtung liegen, ist os zweckmäßig, zumindest das Einlaßventil in einer
kloinon Ventilnischo anzuordnen. Zur Erzielung oinos möglichst geringen Spaltes
zwischen Kolbenbodenoborseite und der Bodenplatte dos Zylinderkopfes in dor oberen
Totpunktstellung des Kolbens ist es zweckmäßig, wenn die Kolbenoberseito der Profilierung
dor Ventilnische möglichst genau angepaßt ist. Das Kompressionsendvolumen soll hauptsächlich
durch den Verbrennungsraum gebildet werden, während
das Spaltvolumen
zwischen dor Kolbenoborsoite und dem Zylinderkopf möglichst kloin soin soll.
-
Die Ausbildung des Verbrennungsraumos ist der Kugelgestalt möglichst
gut angenähert. Die strömungsmäßigen uebergänge zu dem Zylinderraum sind tangential,
um eine gute Wirbelbildung sowohl beim Ausströmen als auch beim Einströmen in den
Verbrennungsraum zu erreichen; das gleiche gilt für die strömungsmäßige Verbindung
zwischen Verbrennungsraum und Zündkammer.
-
Dic Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestelltor Ausführungsbeispiele
nachfolgend noch kurz orlautert; dabei zeigen: Fig. 1 ausschnittweise einen erfindungsgemäß
ausgestalteten llubkolbenmotor mit Kurbelwellendiagramm, Fig. 2 einen Teilausschiiitt
in vergrößerter Darstollung dos Motors nach Fig. 1 während der Ansaugphase, Fig.
3 einen Schnitt durch den Motor nach Fig. 2 entlane der Linie III - III, ebenfalls
während der Ansaugphase, Fig. 4 und 5 die gleichen Darstellungen wie Fig. 2 bzw.
-
Fig. 3 jedoch jeweils gegen Ende der Kompressionsphase und
Fig.
6 eine Schnittdarstellung änlich wie Fig. 3 eines modifizierten Zylinderkopfes,
bei dem das Einspritzventil neben der Zündkerze angeordnet ist.
-
Der in don Figuren dargestellte Motor besteht aus Motor block 1, Zylinderkopf
2, dem im Zylinderraum 9 auf und ab beweglichen Kolben 4 sowie des Triebwerkteilen
8. Im Zy-Zylinderkopf ist ein baulich vom Zylindorraum getrennter und abgeteilter
Verbrennungsraum lo angeordnet. In den Verbrennungsraum mündet ein Einspritzventil
26 (Fig. 1 bis 5) bzw. 28 (Fig. G). Den rinspritzventilen wird dor Kraftstoff über
die von der Kurbolwello aus angetriebene Einspritzpumpe 25 gesteuert zugeführt.
Es handelt sich daboi um eine Hochdruckeinspritzung während der Kompressionsphase,
so daß das Gemisch ausschließlich im Innern des Arbeitsraumes dos llubkolbens gebildet
wird.
-
Die Einspritzzeiton sind als Winkel in dem Xurbelwellendiagramm unten
in Fig. 1 eingetragen. Das Einspritzende E ist unabhängig vom Lastzustand dos Motors
konstant gehalten, während der Einspritzbeginn lastabhängig verändert wird.
-
Bei Vollast liegt der Einspritzbeginn v bereits vor der Mitte des
Ansaughubes (Vollasteinspri tzwinkel dL ); bei mittleren und kleineren Teillasten
ist jedoch dafür gesorgt, daß der Einspritzbeginn erst innerhalb der Kompressionsphase
liegt (Einspritzbeginn m bei mittleron Teillasten, Einspritzbeginn 1 bei Leerlauf;
entsprechende Einspritzwinkel αm bzw. α0). Dank der Beschränkung der
Einspritzung wenigstens im unteren Lastbereich auf dio Kompressionsphase
ist
dafiir gesorgt, daß zumindost in dem abgaskritischen unteren Lastbereich die Spaltvolumina
im Zy-Zylinderraum mit Luft gefüllt sind und eine Wandabschreckung der Verbrennung
durch entsprechende Luftpolster am Rand vermieden wird.
-
Um nach jedem Ladungswechsel eine Spülung des Verbrennungsraumes lo
mit Frischluft zu erreichen, ist dieser mit zwei genügend verschiedenen /weit auseinanderliegenden
Öffnungen 11 und 16 versehen, deren eine - die Einströmöffnung 11 mit dem daran
anschließenden Einströmkanal 13 - dem Einlaßventil 18 zugekehrt ist, wohningen die
andere Öffnung - die Ausströmöffnung 16 mit dem Ausströmkanal 17 - vom Einlaßventil
möglichst weit weg gerichtet ist. Die Eintrittsöffnung 11 ist auf einer Zylinderfläche
12 angeordnet, die konzentrisch zum Ventilschaft 20 liegt und den Ventilteller 21
mit mögliclist geringem Spalt entlang eines möglichst großen Umfangstückes umgibt.
Die obere Querkante 14 der in etwa schlitzförmigen Einströmöffnung 11 ist dem Ventilsitz
22 zunächstliegend angeordnet. In liubrichtung des Ventilos 18 hat die Finr.trömöffnung
11 eine Erstrockung h, dio dom Ventilhub H des linlaßventiles in etwa ontspricht.
Aufgrund dieser dem Öffnungszustand des Einlaßventiles weitgehend angepaßten Öffnung
11 wird ein möglichst großer Anteil der den Ventilteller 21 schirmartig umströmenden
Frischluft vom niedergehenden ansaugenden Kolben 4 durch den Verbrennungsraum 10
hindurchgesaugt. Hierboi werden Verbrennungsrestgase aus dem Raum 10 gründlich in
den Zylinderraum hinausgespült; gleichzeitig erwärmt sich beim Durchströmen des
heißen Verbrennungsraumes die Frischluft. Im Zylinderraum vermischen
sich
Restgase und Frischluft, so daß eine gleichmäßige Verteilung der Rastabgase im Kompressionsraum
zustande kommt.
-
Damit dor Verbrennungsraum lo im Zylinderkopf oberhalb der Kopfbodenplatte
3 angeordnet worden kann und damit dio Offnungen 11 und 16 bzw. die Ein- und Ausströmkanäle
13 bzw. 17 in etwa parallel zur Kopfbodenplatte 3 verlaufen können, muß zumindost
das Einlaßventil 18, vorzugsweise aber auch das Auslaßvontil 19 höher als die obere
Querkante 14 dor Einströmöffnung und einer entsprechenden Kante der Ausströmmöffnung
angeordnet sein. Um dies zu erreichen, ist daß Einlaßventil und auch das Auslaßventil
in einer Ventilnische 23 angeordnet. Um dieses Nischenvolumen jedoch möglichst gering
zu halten, ist das Ventil schräg angeordnet, damit die der Einströmöffnung 11 abgewandte
Ventilperipherie möglichst niedrig liegt und somit die Ventilnische kloinor gehalten
wordon kann. Durch dioso Nischenform entsteht auf dor dom Zylinderraum zugekehrten
Außenfläche der Kopfbodenplatte eine Profilierung. Damit das Kompressionsendvolumen
möglichst vollständig im Verbrennungsraum 10 enthalten ist - angestrebt ist ein
Anteil von etwa 70 bis So % - und somit das Spaltvolumen zwischen Kolbenoberseite
und Zylinderkopfunterseite möglichst gering ist, ist der Kolbonbeden auf seiner
Oberseite entsprechend der Profilierung der Nischo 23 gestaltet; d. h., an der Stollo,
an der sich dor Verbrennungsraum innerhalb dos Zylinderkopfes befindet, ist in dom
profiliorten Kolbenboden 5 eine Nische G angeordnet. Um jedoch nach der Zündung
oino möglichst ungehinderte Expansion dor Verbrennungsgase von dem Verbrennungsraum
lo durch die Austrittsöffnung 16 hindurch in den Zylinderraum zu ermöglichen, ist
dio der Austrittsöffnung
unmittelbar gegenüberligende Partie dor
Profilterung des Kolbenbodens abgeschrägt (Abschrtigung 7).
-
Es kann zweckmäßig sein, daU bei der Kompression der angesaugten Frischluft
in den Verbrennungsraum hinein diese lodiglich durch die Ausströmöffnung 16 und
don Ausströmkanal 17 in don Verbrennungsraum zuriickflieiien soll. Um diese einseitige
Einströmung in den Verbrennungsraum zu bogünstigen kanii os zweckmäßig sein, an
dor Unterseite des Ventiltellers 21 eine Schürze 24 aiizubriiigen, die im geschlossenen
Zustand dos Einlaßventiles dio Einlaßöffnung 11 abdeckt. Natiirlich müßte in eine
solchen Fall in der Profilierung des Kolbenbodens eine entsprechende Aussparung
angebracht sein.
-
Neben dom Verbrennungsraum lo ist eine von ihm weitgehend getrennte
und lediglich über einen Zündkanal 34 mit ihm in Verbindung stehende Zündkammer
32 angeordnet, an der eiiie Zündkerze 33 vorgesehen ist. Die Zündkerze ist möglichst
nah an der Einmündungsstelle des Zündkanales in die Züiidkamnier angeordnet; und
zugleich ist die Übergangsstelle des Zündkanals in den Verbrennungsraum 10 möglichst
nah und gleichgerichtet zu dem Ausströmkanal 17 angeordnet Das Volumen der Zündkammer
ist im Verhältnis zum Kompressionsendvolumen sehr klein bemossen - etwa 3 bis 5
%; dadurch wird dor Motor abgasmäßig nur sehr gering bolastet. Die geschilderte
Plazierung der Zündkerze möglichst nah am Ziliidkammeraustritt dient dazu, daß die
Flammonfront innerhalb dor Zündkammer sich entgegen der Ausströmrichtung aus ihr
bewegt, wodurch ein möglichst lang andauernder Zündfackelstrahl erroicht wird.
-
Dies begünstigt eine zulässige Gemischabmagerung, dio der
Reduzierung
der Abgas-Emissionswerte förderlich ist. Die Nähe uiid gegenseitige Ausrichtung
von Ausströmkanal 17 und Zündkanal 34 dient der bevorzugten Ladungseinströmung in
die Zündkammer während dos Kompressionshubes; siohe die Strömungspfeile in Fig.
5 oder G. Im Ubrigen mündet dor Zündkanal sowohl in den Vorbronnu'lgsraum lo als
auch in dio möglichst kompakt gehaltene Zündkammer 32 tangential ciii, um eine möglichst
gute Vorwirbelung dor Raumiiilialte zu bokommen.
-
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 bis 5 ist das Einspritzventil
26 tangential zum Einströmkanal 13 angeordnet, und zwar derart, daß dor Einspritzstrahl
27 (Fig. 5) der Einströmrichtung parallel gerichtet ist. Diese Ausgestaltungsferni
hat den Vortoil, dan die Auftreffstelle dos Einspritzstrahles 27 an Wandungsteile
im Bereich hoher Strömungsgeschwindigkeit seitens der zurückkomprimierten Luft liegt.
Ferner liogt die Hauptauffächerung des Strahlos im Bereich des eigentlichen Verbrennungsraumes
10, wo die sich verlangsamenden Tröpfchen innig in dem einströmenden Luftwirbel
vermischt werden. Durch die durch den Kanal 17 einströmende zurückkomprimierte Luft
wird ein Ladungsantoil über den gegenüberliegenden Zündkanal 34 in die Zündkammer
32 hineinkomprimiert, so daß davon auseegangen werden kann, daß auch im unteren
Teillastbereich, in dem im Verbrennungsraum relativ magere Gemische vorliegen, in
der Zündkammer gleichwohl zündfähige Gemische angesammelt werden.
-
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 ist das Einspritzventil 1
28 mit scinem Haupteinspritzstrahl 29 ebenfalls tangential zum Einströmkanal 13
am Verbrennungsraum 10 angeordnet; die Abspritzstello liegt zwischen dem Ausströmkanal
17 und dem Zündkanal 34. Lin Nebenspritzstrahl 30 des Einspritzventils ist in den
Züridlanal 34 gerichtet, um in der Zündkammer 32 in allen Lastzuständen ein zündfähiges
Gemisch sicherzustellen.
-
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Brennraumspülung liegt darin, das
der Sauerstoffaiiteil im Verbrennungsraum gegenüber ungespülter Brennkammer bei
gleicher angesaugter Luftmenge erhöht wird - die Restabgase sind gleichmäßig im
Kompressionsvolumen verteilt - und daß eine homogene Gemischbildung aufgrund intensiver
Verwirbelung des Brennkammerinhaltes und der besseren Luftanwärmung begünstigt wird.
Im übrigen gelten die Vorteile, die bereits im Hauptpatent erwähnt sind, nämlich
niedriger Stickoxidanteil aufgrund der Möglichkeit, stark abgemagerte Luft-Kraftstoff-Gemische
zu verbrennen, und Reduzierung der Kohlenwasserstoffanteile wegen Vermeidung dor
Wandabschreckung der Verbrennung in den Spaltvolumina und Brennraumzwickeln.
-
L e e r s e i t e