DE2727357A1

DE2727357A1 - Brennkraftmaschine der hubkolbenbauart

Info

Publication number: DE2727357A1
Application number: DE19772727357
Authority: DE
Inventors: Ma Thomas Tsoi-Hei
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1976-07-02
Filing date: 1977-06-16
Publication date: 1978-01-05
Also published as: ES460179A1; GB1517117A

Description

Patentanmeldung Brennkraftmaschine der Hubkolbenbauart

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine der Hubkolbenbauart mit einer am Zylinderkopf ausgebildeten Stufe, die mit einem am Kolbenboden ausgebildeten Steg zusammenwirkt, um im oberen Totpunkt des Kolbens den Verdichtungsraum in zwei im wesentlichen getrennte Kammern aufzuteilen, von denen die eine mit größerem Volumen eine Wirbelkammer und die andere mit kleinerem Volumen eine Quetschkammer bildet.

Brennkraftmaschinen der eingangs genannten Bauart sind bereits in einer Vielzahl von Ausführungsformen bekannt und wurden entwickelt, um den Kraftstoffverbrauch zu senken bzw die schädlichen Bestandteile in den Abgasen zu verringern.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß sie in unterschiedlichen Betriebsweisen und mit unterschiedlichen Zielsetzungen in Richtung auf K raft stoff ein sparung und/oder Abgasverbesserung betrieben werden kann.

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atz der ei: KOfci ■ RegistererfcrH, KOIn, HRB 84 · Versitzender de« Aurslchtsrates: Hans Schaberger Vorstand. Petef Weiher, Vorsitzender

Horst Bergemann Franz J. Bohr · WaMemar Ebers - Wühelmlnden - Alfred Langer Stellvertretend: Hermann Dederichs Hans Wühekn Gab Paul A. Gucke) Hans-Joachim Lehmann

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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst, indem eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art die im Patentanspruch 1 und den folgenden Patentansprüchen aufgezeigten Merkmale aufweist.

Durch die erfindungsgemäße Aufteilung des Verdichtungsraumes in eine Wirbel- und eine Quetschkammer in Verbindung mit der unterschiedlichen Anordnung von Zündkerzen und Einspritzdüsen können im Hinblick auf unterschiedliche Zielsetzungen verschiedene Betriebsweisen der Brennkraftmaschine erzielt werden.

Der Aufbau einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und die verschiedenen möglichen Betriebsweisen werden in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch eine Versuchs-Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Ansicht des Verbrennungsraumes im Zylinderkopf von unten;

Fig. 3 eine Schrägrißansicht des Kolbens von schräg oben;

Fig. 4 a und 4 b Darstellungen der Flammenausbreitung bei einer ersten Betriebsweise;

Fig. 5 ein Druck/Zeitdiagramm für die Betriebsweise nach den Fig. 4;

Fig. 6 a und 6 b Darstellungen der Flammenausbreitung bei einer zweiten Betriebsweise;

Fig. 7 ein Druck/Zeitdiagramm für die Betriebsweise nach den Fig. 6;

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Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Schnittes durch die Brennkraftmaschine bei einer dritten Betriebsweise;

Fig. 9 eine axiale Ansicht entsprechend Fig. 8; Fig. 10 eine Darstellung einer weiteren Betriebsweise;

Fig. 11 ein Luftgeschwindigkeit/Kurbelwellenwinkeldiagramm für unterschiedliche Wirbel- und Quetschkammerausbildungen.

In Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine gezeigt, bei der ein Kolben 10 innerhalb eines Zylinders 12 über eine Pleuelstange 14 und eine Kurbelwelle 16 auf- und abbewegbar ist. Im Zylinderkopf sind Einlaß- und Auslad-Tellerventile 18 und 20 angeordnet, die über eine obenliegende Nockenwelle 22 betätigt werden.

Gemäß der Erfindung ist im Verbrennungsraum des Zylinderkopfes eine Stufe 24 auegebildet, die mit einem am Kolbenboden ausgebildeten Steg 26 (wie er am besten aus Fig. 3 zu ersehen ist) zusammenwirkt. Befindet sich der Kolben 10 nahe oder in seinem oberen Totpunkt, so wirken die Stufe 24 und der Steg 26 zusammen, um den Verdichtungsraum in eine Wirbelkammer 28 mit größerem Volumen und eine Quetschkammer 30 mit kleinerem Volumen aufzuteilen. Bewegt sich der Kolben 10 aus seinem oberen Totpunkt heraus, so bilden der Kolben 10 und der Zylinder 12 einen gemeinsamen Verbrennungsraum. Die Brennkraftmaschine kann z. B. ein Kompressionsverhältnis von 10 : 1 und ein Volumenverhältnis der Wirbelkammer 28 zur Quetschkammer 30 im oberen Totpunkt von 3:1 aufweisen.

Die Wirkung der Stufe 24 und des Steges 26 wird nachfolgend beschrieben. Nähert sich der Kolben 10 seinem oberen Totpunkt, so bewirkt die zunehmende Differenz der Volumen der beiden Kammern 30 und 28 eine

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Verlagerung von Gas aus der Kammer 30 in die Kammer 28. Hierbei muß das Gas über den engen Kanal 32 zwischen der Stufe 24 und dem Steg 26 in die Kammer 28 übertreten und führt hier zu einer intensiven Verwirbelung. Die Intensität der Verwirbelung in der Wirbelkammer 28 ist direkt abhängig von der Geschwindigkeit des Gases im Kanal 32, die wieder abhängig von folgenden Parametern ist:

1. dem Flächen verhältnis von Kammer 28 zu Kammer 30;

2. dem Höh en verhältnis von Kammer 28 zu Kammer 30;

3. der Länge und Breite des Kanal es 32;

4. der Höhe des Steges 26;

5. dem Kompressionsverhältnis der Brennkraftmaschine;

6. der Drehzahl der Brennkraftmaschine.

Der Zeitpunkt und die Dauer der Verwirbelung in der Wirbelkammer 28 wird durch die Höhe des Steges 26 bestimmt, da durch diese der Zeitpunkt bzw der Kurbelwellenwinkel vor dem oberen Totpunkt festgelegt wird, bei dem die beiden Kammern voneinander getrennt werden. Die Ausbildung der Verwirbelung in der Wirbelkammer 28 wird hierbei von der Form des Steges 26 unterstützt, dessen zur Wirbelkammer 28 liegende Fläche 26 a so geformt ist, dad sie in horizontaler und vertikaler Richtung konkav ist.

In Fig. 11 sind Veränderungen des Zeitpunktes und der Dauer der Verwirbelung in Abhängigkeit von unterschiedlichen Höhen des Steges 26 gezeigt. Die Kurven A, B und C sind hierbei für eine 2000 cm Vierzylinder-Brennkraftmaschine aufgetragen, bei der der Kanal 32 eine

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Breite von 0, 5 mm und die Kammer 30 eine minimale Höhe von 1 mm aufweist. Die Kurven zeigen hierbei den Verlauf der Gasgeschwindigkeit im Kanal 32 bei unterschiedlichen Höhen des Steges 26 von 15, 10 und 5 mm. Die Gasgeschwindigkeit im Kanal 32 stellt hierbei ein MaA für die Verwirbelung dar. Zum Vergleich wurde eine Kurve D eingezeichnet, die die Gasgeschwindigkeit innerhalb einer bekannten 1300 cm Quetschkopf-Brennkraftmaechine aufzeigt.

Es wird hier noch einmal darauf hingewiesen, daß die in den Fig. 1 und gezeigte Brennkraftmaschine eine Versuchs-Brennkraftmas chine ist, bei der eine Zündkerze 34 sowohl in der Wirbelkammer 28 als auch eine Zündkerze 36 in der Quetschkammer 30 und auch eine Kraftstoff-Einspritzdüse 38 angeordnet ist. Selbstverständlich sind bei einer ausgeführten Brennkraftmaschine je nach der benutzten Betriebsweise nur ein Teil dieser Einrichtungen erforderlich.

Die bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine möglichen Betriebsweisen werden nun in Zusammenhang mit den Fig. 4 bis 7 näher erläutert.

Die erste und zweite Betriebsweise einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine bezieht sich auf eine gemischverdichtende Betriebsweise, bei der ein Luft-Kraftstoff-Gemisch entweder von einem Vergaser oder von einer Kraftstoff-Einspritzdüse im Ansaugrohr bereitgestellt wird.

Bei der ersten Betriebsweise wird eine Zündkerze 34, die in der Wirbelkammer 28 angeordnet ist, verwendet. Wie aus Fig. 4 a zu ersehen ist, wird hierdurch eine rasche Verbrennung innerhalb der Wirbelkammer 28 mit einer nachfolgenden Ausbreitung in das übrige Gemisch in der Quetschkammer erzielt. Das sich hierbei ergebende Druckdiagramm ist aus Fig. 5 zu ersehen. Im Hinblick auf die gute

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Verwirbelung des Gemisches an der Stelle, an der die Zündung erfolgt, ist es möglich, sehr magere Gemische zu verwenden und dennoch einen raschen Verbrennungsablauf zu erzielen.

Bei der zweiten Betriebsweise wird eine Zündkerze 36 verwendet, die in der Quetschkammer 30 angeordnet ist. Wie aus Fig. 6 a zu ersehen ist, wird hier zuerst eine mittlere Verbrennung in der Quetschkammer erreicht, die, sobald die beiden Kammern miteinander verbunden werden, in eine schnellere Verbrennung innerhalb der Wirbelkammer übergeht. Dadurch wird eine verzögerte jedoch schnelle Verbrennung des Hauptgemisches erzielt. Das sich hierbei ergebende Druckdiagramm ist aus Fig. 7 zu ersehen. Bei dieser Betriebsweise kann ein stöchiometrisches bis leicht mageres Gemisch verwendet werden. Durch den verhältnismäßig flacheren Druckanstieg und die verzögerte und verringerte Druckspitze werden niedrigere Verbrennungstemperaturen erzielt, die zu niedriger Abgasemission und verbesserter Wirtschaftlichkeit führen.

Bei einer dritten Betriebsweise, die in den Fig. 8 und 9 erläutert wird, wird wieder eine in der Quetschkammer angeordnete Zündkerze 36 verwendet. Hierbei wird jedoch keine Saugrohr-Kraftstoff-Einspritzung verwendet sondern eine direkte Kraftstoff-Einspritzung, bei der über eine Kraftstoff-Einspritzudüse 38 Kraftstoff etwas unterhalb der Quetschkammer seitlich in den Zylinderraum eingespritzt wird. Während der Hochbewegung des Kolbens wird durch die Verdrängungswirkung Luft-Kraftstoff-Gemisch auch in die Wirbelkammer 28 gelangen. Sobald jedoch der Steg 26 die beiden Kammern voneinander abtrennt, wird der zum Einspritzende aus der Kraftstoff-Einspritzdüse 38 austretende Kraftstoff in der Quetschkammer 30 eingeschlossen und bildet hierdurch ein reiches zündfähiges Gemisch in der Nähe der Zündkerze 36, während das Gemisch in der Wirbelkammer 28 verhältnismäßig mager ist. Vorzugsweise wird das Einspritzende auf einen festen, spätmöglichsten Zeitpunkt im Verdichtungshub festgelegt, während der Einspritzbeginn

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variabel und bei einer ungedrosselten Luftzufuhr in Abhängigkeit von der Belastung gesteuert wird. Dadurch wird erreicht, daß das Gemisch in der Quetschkammer ein im wesentlichen konstantes Luft-Kraftstoff-Verhältnis aufweist, während das Gemisch in der Wirbelkammer sich entsprechend der Belastung ändert.

Auf diese Weise kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Quetschkammer in einem Bereich von 10:1 bis 14 : 1 gehalten werden, während sich dasGesamt-Luft-Kraftstoffverhältnis in einem Bereich von 14 : 1 bei Vollast bis zu 30 : 1 bei Teillast verändert.

Alternativ kann eine gedrosselte Luftzufuhr vorgesehen werden und die Kraftstoff-Einspritzung in Abhängigkeit von der Luftmenge in einem Gesamt-Luft-Kraftstoff-Verhältnis von 14 : 1 bis 30 : 1 vorgesehen werden.

Bei den Betriebsweisen zwei und drei ist bei einem Kraftstoff mit 98 Oktan ein Betrieb mit einem erhöhten Kompressionsverhältnis von bis zu 16 : 1 möglich.

Bei einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in Form einer 1300 cm Vierzylinder-Brennkraftmaschine kann der Steg 26 eine Höhe von 8 mm und der Kanal 32 zwischen den beiden Kanunern eine Breite von 1 mm aufweisen. Das ergibt bei 5000 U/min eine Gasgeschwindigkeit von 105 m/sek im Kanal 32, wobei die Gasverlagerung in einem Bereich von 35 bis 15 vor oberem Totpunkt erfolgt und nahezu die gesamte Ladung in die Wirbelkammer übergeführt wird.

Bei der vierten in Fig. 10 angedeuteten Betriebsweise arbeitet eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit Luftverdichtung und Selbstzündung. Das Kompressionsverhältnis der Brennkraftmaschine mud selbstverständlich auf einen entsprechend hohen Wert erhöht werden und die K raft stoff-Ein spritz düse mufl so hoch angeordnet werden, daß sie Kraft-

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stoff in die Wirbelkammer kurz vor dem oberen Totpunkt einspritzen kann. Die Wirbelausbildung erfolgt hierbei in der in Fig. 10 durch die Pfeile angedeuteten Weise. Eine solche Brennkraftmaschine weist eine Betriebscharakteristik auf, die etwa zwischen der einer direkten und indirekten Einspritzung aufweisenden Diesel-Brennkraftmaschine liegt.

Ee wird darauf hingewiesen, daß selbstverständlich die Stufe auch im Kolbenboden und dafür der Steg im Zylinderkopf ausgebildet sein kann. Ebenso ist die Anwendung der aufgezeigten Merkmale nicht nur bei Viertakt-sondern auch bei Zweitaktmotoren möglich.

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ORIGINAL INSPECTED

Leerseite

Claims

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Patentansprüche

.) Brennkraftmaschine der Hubkolbenbauart mit einer am Zylinderkopf ausgebildeten Stufe, die mit einem am Kolbenboden ausgebildeten Steg zusammenwirkt, um im oberen Totpunkt des Kolbens den Verdichtungsraum in zwei im wesentlichen getrennte Kammern aufzuteilen, von denen die eine mit größerem Volumen eine Wirbelkammer und die andere mit geringerem Volumen eine Quetschkammer bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe (24) im Zylinderkopf und der Steg (26) am Kolbenboden im wesentlichen quer zur Zylinderbohrung verlaufen und einander gegenüberliegende vertikale Flächen aufweisen.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der vertikalen Fläche des Steges (26) abliegende, zur Wirbelkanuner (28) liegende Fläche (26 a) des Steges (26) in horizontaler und vertikaler Richtung konkav ist.
3. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Wirbelkammer (28) und die Quetschkammer (30) ein Volumen verhältnis von 2 : 1 bis 10:1 aufweisen und die Stufe (24) und der Steg (26) so geformt sind, daß etwa 10 bis 30 % des Gemisches bei Erreichen des oberen Totpunktes von einer Kammer (30) zur anderen Kammer (28) verlagert wird.
4. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zündkerze (34) in der Wirbelkammer (28) angeordnet ist.
5. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zündkerze (36) in der Quetschkammer (30) angeordnet ist.

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6. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kraftstoff-Einspritzdüse (38) an einer Stelle unterhalb der beiden Kammern und an der Seite der Quetschkammer (30) angeordnet ist.
7. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die den Einspritzbeginn zu einem variablen Zeitpunkt vor und das Einspritzende zu einem festen Zeitpunkt nach dem oberen Totpunkt festlegt.
8. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine ungedrοsselte Luftzufuhr und eine lastabhängige Kraftstoff-Einspritzung vorgesehen ist.
9. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine gedrosselte Luftzufuhr und eine luftmengenabhängige Kraftstoff-Einspritzung vorgesehen ist.
10. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 7 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Ein sprit zdauer derart gesteuert wird, daß ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis von 14 : 1 bei VoIlast bis zu 30 : 1 bei Leerlauf erzielt wird.
11. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Kompressionsverhältnis von 8 : bis 16 : 1 Fremdzündung vorgesehen ist.
12. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Kompressionsverhältnis von 16 : bis 22 : 1 und einer Kraftstoff-Einspritzung in die Wirbelkammer (28) Selbstzündung vorgesehen ist.

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