DE2735017A1 - Verbrennungsmotor mit geschichteter ladung - Google Patents

Verbrennungsmotor mit geschichteter ladung

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Description

PAtentanVälte DtPL-lNc, H We,c«ann, Dipu-Ph^ Dk. K.Fincke
DiPL.-InG. F.A.WeICKMANN, Dl PL.-C H E M. B. Hu B ER
ur.- «ng. H. U
8 MÜNCHEN 86, DEN
POSTFACH 860 820
MDHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 3921/22
SOCIETE ANONYME AUTOMOBILES CITROEN ...»,„ «Gemäß den Artikeln 118 bis 150 des französischen
Gesetzes über die Handelsgesellschaften (societes
commerciales)"
117 a 167 Quai Andre_ Citroen, F-75747 Paris Cedex 15
Verbrennungsmotor mit geschichteter Ladung.
Die Erfindung betrifft die Verbrennungsmotoren mit geschichteter ladung mit wenigstens einem Zylinder, welcher durch einen Zylinderkopf geschlossen ist, in welchem wenigstens eine Brennkammer vorgesehen ist, einem in dem oder in jedem Zylinder gleitenden Kolben, dessen Kopf mit einem Ansatz versehen ist, welcher mit einer Ausnehmung des Zylinderkopfs zusammenwirken kann, welche eine in der Bewegungsrichtung des Kolbens offene Seite hat, so daß sie diesen Ansatz aufnimmt und in der Brennkammer eine Hilfsbrennkammer bestimmt, Mitteln zur Einführung eines an Brennstoff reichen Gemischs in diese Hilfsbrennkammer, und Zündmitteln zur Zündung des an Brennstoff reichen Gemische der Hilfskammer.
Bekanntlich wird mit dem Ausdruck "Motor mit geschichteter ladung" ein Motor bezeichnet, in welchem im Augenblick der Zündung ein heterogenes Gemisch zwischen dem Sauerstoffträger und dem Brennstoff gebildet wird. Dieses Gemisch ist reich an Brennstoff In der Mähe der Zündmittel, so daß es sich leicht entzündet, während das Gemisch in dem Rest der Brennkammer f\rm an Brennstoff 1st· Die bequeme Zündung des reichen Gemischteils pflanzt sich auf das restliche arme Gemisch fort. Mit einer derartigen geschichteten Ladung kann man eine vollständige Verbrennung eines heterogenen Gemische erhalten, welches im ganzen arm ist, so daß der Gehalt der Verbrennungsgase an Verseuchungsstoffen, insbesondere Kohlenoxyd, Stickst offoxyden und Kohlenwasserstoffen gering ist.
Bei derartigen Motoren trifft man bisweilen auf Schwierigkeiten zur Sicherstellung einer vollständigen Verbrennung des h9te-
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Die Erfindung bezweckt insbesondere, derartige Verbrennungsmotoren so auszubilden, daß sie besser als bisher den verschiedenen Erfordernissen der Praxis entsprechen, im besonderen dadurch, daß sie die obigen Nachteile nicht mehr oder nur in einem geringeren Grade aufweisen.
Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor mit geschichteter Ladung der oben definierten Art ist dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung durch eine zwischen zwei in die Brennkammer vorspringenden Schultern liegende Nut gebildet wird, während der Ansatz des Kolbens durch einen Zapfen gebildet wird, welcher an dem Kolbenkopf vorspringt und in diese Nut eingreifen Jcann, wobei die Ausnehmung so eine andere offene Seite hat, welche /in die Brennkammer in einer zu der Bewegungsrichtung des Kolbens querliegenden Richtung öffnet, wobei die Hilfskammer durch diese Seite mit der Brennkammer in Verbindung bleibt, wobei die Zündmittel praktisch zu dieser anderen Seite der Ausnehmung gerichtet sind, während die Mittel zur Einführung eines an Brennstoff reichen Gemische in die Ausnehmung auf der von dieser anderen offenen in die Brennkammer mündenden Seite entfernten Seite münden.
Die Verbindungsfläche zwischen dem oberen Abschnitt des Zapfens oder "Keils" und dem Kolbenkopf wird durch eine zylindrische, nach außen konkave Fläche gebildet, welche bei dem Eintritt des Zapfens in die Nut eine Wirbelbewegung der aus der Hilfskammer zu der Brennkammer getriebenen Oase erzeugen kann.
Die Ausbildung ist vorzugsweise so getroffen, daß der Eintritt des Ansatzes des Kolbens in die Ausnehmung der Brennkammer für einen Winkel von etwa 60° vor dem oberen Totpunkt dee Kolbens erfolgt. Die Einlaß- und Auslaßventile sind in dem von der Ausnehmung entfernten Teil der Brennkammer angeordnet.
Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.
Flg. 1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht einen Teil eines erfindungsgemäßen Motors.
Fig· 2 ist eine Ansicht längs der Linie II-II der Fig.
Fig. 3 zeigt schaubildlich den Kolben des Motors. 809807/0640
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Fig. 4 ist ein Schaubild der Änderungen der Konzentrationen der Verbrennungsgase an Verseuchungsatoffen, welche als Ordinaten in Funktion der als Abszissen aufgetragenen wachsenden Verarmung des Gemische aufgetragen sind.
Fig. 1 ist eine Teilansicht eines Verbrennungsmotors mit geschichteter Ladung. Dieser Motor enthält wenigstens einen Zylinder 1, welcher oben durch einen Zylinderkopf 2 abgeschlossen wird, in welchem eine Brennkammer 3 vorgesehen ist. Ein in dem Zylinder gleitender Kolben 4 hat einen Kopf 5 mit Ansätzen 6, welche mit dem Zylinderkopf zusammenwirken können, um in der Brennkammer 3 eine Hilfskammer A zu bestimmen.
Eine insbesondere durch einen Einspritzer gebildete Speisevorrichtung 7a ist in einem Schacht 7 angeordnet, um in die Hilfskammer A ein an Brennstoff reiches Gemisch einzuführen.
Außerdem sind durch eine schematisch dargestellte, in einen Kerzenschacht 9 eingeschraubte Zündkerze 8 gebildete Zündmittel vorgesehen, um die Verbrennung des an Brennstoff reichen Gemischs einzuleiten.
Diese Verbrennung pflanzt sich dann auf die gesamte Brennkammer 3 fort, welche ein armes Gemisch enthält.
Die Brennkammer 3 besitzt eine Ausnehmung 10 mit
einer ersten Seite 11 (Fig. 2), welche in die Brennkammer 3 in einer querliegenden, durch einen Doppelpfeil in Fig. 1 und 2 dargestellten Richtung D mündet, welche praktisch zu der (durch einen Doppelpfeil Δ dargestellten) Bewegungsrichtung des Kolbens 4 senkrecht liegt. Diese Ausnehmung 10 weist noch eine zweite offene Seite 12 auf, welche der Seite des Kopfs 5 des Kolbens zugewandt ist, so daß sie den Ansatz 6 des Kolbens aufnehmen kann. Die Hilfskammer A wird beim Eintritt des Ansatzes 6 in die Ausnehmung 10 durch die offene Seite oder Öffnung 12 gebildet.
Diese Öffnung 12, welche in einer zu der Richtung Δ senkrechten Ebene den gleichen Querschnitt wie die Ausnehmung 10 hat, paßt sich der Form des Querschnitts des Ansatzes 6 in einer ebenfalls zu der Richtung Δ senkrechten Ebene bis auf das betriebliche Spiel an.
Die Hilfskammer A bleibt durch die offene Seite 11 mit der Brennkammer 3 in Verbindung. Das Volumen dieser Hilf stammer a kann bei dem Hub des Kolbens 4 bis zu seinem oberen Totpunkt abneh·
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men. Der kleinste Wert des Volumens der Hilfskammer A wird für den oberen Totpunkt des Kolbens 4 erreicht, wobei dann der Ansatz 6 am tiefsten in die Ausnehmung 10 eingetreten ist.
Der Kerzenschacht 9 und die Zündkerze 8 liegen praktisch an der Stelle der die Verbindung zwischen der Hilfskammer A und der Kammer 3 herstellenden offenen Seite 11. Der Schacht 7 für die Speisevorrichtung mündet durch eine Öffnung 13 in die Ausnehmung 10 auf der von der offenen Seite 11 entfernten Seite, wie dies aus der Zeichnung hervorgeht. Die öffnung 13 befindet sich in dem von dem Kopf 5 des Kolbens am weitesten entfernten Abschnitt der Ausnehmung 10. Gemäß Fi «j. 1 liegt die Öffnung 13 in dem oberen Teil der Ausnehmung 10.
Die Ausnehmung 10 :rird zweckmäßig durch eine Rille oder Hut zwischen zwei in die Brennkammer vorspringenden Schultern 14, 15 (Fig. 2) gebildet. Die die Ausnehmung 10 begrenzenden Flächen 14a, 15a dieser Schultern sind eben, zueinander parallel und zueinander in Bezug auf eine durch die Achse des Zylinders 1 gehende Ebene F symmetrisch. Diese Symmetrieebene entspricht der Schnittebene der Fig. 1. Die Achsen des Kerzenschachts 9 und der Ausnehmung des Eineprltzers 7 liegen in dieser Ebene F.
In Seitenansicht, d.h. in einer zu Δ parallelen Richtung;, werden, wie dies in Fig. 1 sichtbar ist, die Schultern 14 und 15 durch einen konkaven Umriß 14b, 15b begrenzt, dessen Konkavität der Kammer 3 zugewandt ist, so daß die Abmessung ζ der Ausnehmung 10 in einer zu der Richtung Δ senkrechten Richtung allmählich zunimmt, wenn man eich von der offenen Seite 12 entfernt (siehe Fig. 1).
Die Ränder der Schultern 14 und 15 sind im Schnitt durch eine zu der Achse des Zylinders 1 senkrechte Ebene abgerundet, wie bei 14c, 15c der Fig. 2 dargestellt. Die Schultern 14 und 15 hängen mit der Wand der Brennkammer 3 zusammen.
Der Abstand y (Fig. 2) zwischen den Wänden 14a, 15a ist bis auf das betriebliche Spiel gleich der Breite des Ansatzes 6, wie in Fig. 3 sichtbar.
Dieser Ansatz 6 wird durch einen Zapfen gebildet, welcher durch zwei ebene, zueinander parallele und in Bezug auf eine durch die Achse des Kolbens 4 gehende Diametralebene zueinander symmetrische Wände 6a, 6b begrenzt wird. Der Zapfen 6 erstreckt sich bis an den Umriß der zylindrischen Wand des Kolbens 4 und wird durch
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einen eine Verlängerung der Wand des Kolbens 4 bildenden zylindrischen Wandabschnitt 6c_ (Fig. 1 und 3) begrenzt.
Der obere Teil des Zapfens 10 wird durch eine ebene, zu der Richtung Δ senkrechte Wand 6d gebildet. Die Verbindungsfläche 6e_ (Fig. 1 und 3) zwischen dem oberen Teil 6d des Zapfens und dem Kolbenkopf wird durch eine konkave zylindrische Fläche gebildet, deren Konkavität nach außen gerichtet ist.
Diese Fläche 6e_ erzeugt eine Wirbelbewegung der Gase in der Brennkammer 3· Nach Maßgabe der durch das allmähliche Aufsteigen des Zapfens 6 in die Ausnehmung 10 erzeugten Verringerung des Volumens der Hilfskammer A werden nämlich die Gase aus der Hilfskammer A in die Brennkammer 3 getrieben und strömen längs der Fläche 6e_, welche eine Wirbelbewegung erzeugt.
Zweckmäßig 1st die Ausbildung so getroffen, daß der Beginn des Eintritts des Zapfens 6 in die Ausnehmung 10 für einen Winkel der Kurbelwelle des Motors von etwa 60° vor dem oberen Totpunkt des Kolbens 4 erfolgt.
Auf der der Ausnehmung 10 abgewandten Seite wird die Brennkammer 3 durch eine konkave Fläche 16 (Fig. 1) begrenzt, deren Konkavität dem Innern der Kammer 3 zugewandt ist.
Die Einlaß- und Auslaßventile 17, 18 sind in diesem Teil 16 der Kammer 3 angeordnet. Es ist zu bemerken, daß diese Anordnung gestattet, für die Ventile 17» 18 ebenso große Abmessungen zu wählen, wie an einem üblichen Zylinderkopf, so daß eine gute Füllung und eine gute Abfuhr gewährleistet werden. Die Vorrichtung 7 zur Speisung mit Brennstoff kann nicht nur durch einen mechanischen oder elektromechanischen Einspritzer gebildet werden, sondern auch durch ein Ventil für die Zufuhr eines gasförmigen Gemische oder eines unter Druck vergasten Gemische. Falls die Speisevorrichtung 7 durch einen Einspritzer gebildet wird, kann ein einziger Einspritzer zur Speisung der Hauptbrennkammer 3 und der Hilfskammer benutzt werden. Dieser Einspritzer arbeitet dann In zwei Schritten:
- in einem ersten, verhältnismäßig langen Schritt führt der Einspritzer der gesamten Brennkammer 3 während der Ansaugephase des Motors 4 ein armes homogenes Gemisch zu;
- in einem zweiten, sehr kurzen Schritt liefert der Einspritzer zusätzlichen Brennstoff in die Hilfskammer A, sobald diese durch das Eintreten des Zapfens 6 In die Ausnehmung 10 gebildet
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wird, iind vor der Zündung.
Die Benutzung eines einzigen Einspritzers mit doppeltem Strömungskreis fällt ebenfalls in den Rahmen der Erfindung.
Sin derartiger Einspritzer arbeitet dann folgendermaßen.
Der erste Strömungskreis des Einspritzers führt in einem verhältnismäßig langen Schritt in die Gesamtheit der Brennkammer 3 während der Ansaugephase des Kolbens 4 ein homogenes armes Gemisch ein. In einem zweiten, sehr kurzen Schritt liefert der Einspritzer durch den zweiten Strömungskreis zusätzlichen Brennstoff in die Hilfskammer A, sobald diese durch Eintritt des Zapfens 6 in die Ausnehmung 10 gebildet ist, und vor der Zündung.
Die Arbeitsweise des Motors ist dann folgende.
Bei der Bewegung des Kolbens 4 in Richtung auf den oberen Totpunkt während der Verdichtungsphase tritt der Zapfen 6 des Kolbens 4 zwischen den Schultern 14 und 15 in die Ausnehmung oder Nut 10 nach Art eines "Keils". Die Hilfskammer A wird dann gebildet und auf fünf Seiten isoliert, während die offene Seite 11 zur Aufrechterhaltung einer Verbindung mit der Kammer 3 bestehen bleibt.
Die Speisevorrichtung 7 bewirkt dann nach der Bildung der Hilfskammer A die Zufuhr eines an Brennstoff reichen Gemische.
Bei Fortsetzung seiner Aufwärtsbewegung treibt der Zapfen 6 das angereicherte Gemisch zu der Zündkerze 8, welche im richtigen Augenblick die Verbrennung dieses reichen Gemische einleitet.
Die Fortsetzung der Vorwärtsbewegung des Kolbens in der Ausnehmung 10 bewirkt eine starke Wirbelbewegung, welche die Zündung und die Fortpflanzung der Flamme in die das arme Gemisch enthaltende Hauptkammer 3 begünstigt.
Man erhält eine gute Verbrennung des gesamten heterogenen Gemische der Brennkammer 3 und der Hilfskammer A.
Der Betriebspunkt des Verbrennungsmotors kann daher In der Bähe des in Fig. 4 dargestellten Punkts mit der Abszisse 19 liegen, welcher einer Gesamtkonzentration des verhältnismäßig armen Gemische entspricht. Von den an der Abszissenachse vermerkten Buchstaben bedeuten R ein reiches Gemisch und P ein armes Gemisch. Es ergibt sich aus dem klassischen Schaubild der Flg. 4, daß für einen derartigen Betriebspunkt mit der Abszisse 19 der Gehalt C der Verbrennungsgase an Verseuchungsstoffen, wie Stickstoffoxvden (SOX), Kohlenoxyd (CO) und Kohlenwasserstoffen (HC) gering ist. Außerdem
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kann die Hilfskammer A, welche in ständiger Verbindung mit der Hauptbrennkammer 3 bleibt, als ein Teil dieser Hauptbrennkammer angesehen werden.
Beim Arbeiten des Motors wird die Hilfskammer vollständig gespült, und die Verbrennungsgase werden aus ihr vollständig entfernt und durch frische Gase ersetzt, ohne daß ein zusätzliches Ventil benötigt wird.
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Claims (2)

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    PATEgTAlTSPRiJCHE
    / Verbrennungsmotor mit geschichteter Ladung mit wenigstens einem Zylinder, welcher durch einen Zylinderkopf geschlossen ist, in welchem wenigstens eine Brennkammer vorgesehen ist, einem in dem oder jedem Zylinder gleitenden Kolben mit einem Kopf, welcher mit einem Ansatz versehen ist, welcher mit einer Ausnehmung des Zylinderkopfs zusammenwirken kann, wobei diese Ausnehmung eine in der Bewegungsrichtung des Kolbens offene Seite hat, so daß sie diesen Ansatz aufnehmen kann und in der Brennkammer eine Hilfskammer bestimmt, Mitteln zur Einführung eines an Brennstoff reichen Gemische In diese Hilfskammer, und Zündmitteln zur Zündung des an Brennstoff reichen Gemische der Brennkammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (10) durch eine zwischen zwei in die Brennkammer (3) vorspringenden Schultern (14» 15) liegende Rat gebildet wird, wahrend der Ansatz des Kolbens durch einen an dem Kolbenkopf (5) vorspringenden Zapfen (6) gebildet wird, welcher In diese Rut (10) eintreten kann, so daß die Ausnehmung eine andere, in die Brennkammer in einer zu der Bewegungsrichtung des Kolbens querliegenden Richtung (D) mündende offene Seite (11) hat, wobei die Hilfskammer (A) durch diese Seite (11) mit der Brennkammer (3) in Verbindung bleibt, wobei die Zündmittel (8) praktisch auf diese andere Seite (11) der Ausnehmung gerichtet sind, während die MIttel (7a) zur Einführung des an Brennstoff reichen Gemische In diese Ausnehmung (10) auf der von der anderen, in die Brennkammer mündenden Seite (11) entfernten Seite münden«
  2. 2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsfläche zwischen dem oberen Teil (6d) des Zapfens und dem Kopf des Kolbens durch eine zylindrische konkave Fläche (6e) gebildet wird, welche bei dem Eintritt des Zapfens (6) in die Rut (10) eine Wirbelbewegung der aus der Hilfskammer (A) zu der Brennkammer (3) getriebenen Gase erzeugt.
    3· Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansatz des Kolbens durch zwei ebene Wand· (6a, 6b) begrenzt wird, welche zueinander parallel und in Bezug auf eine durch die Achse des Kolbens gehende Durchmesserebene zueinander symmetrisch liegen, während die Ausnehmung der Brennkammer parallele ebene Seiten (14a, 15a) aufweist, welche diese Ausnehmung begrenzen und durch einen Abstand (y) getrennt sind, welcher bis auf das be-
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    triebliche Spiel gleich der Breite des Ansatzes ist.
    4· Motor nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 1 und 2 oder nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die der in die Brennkammer mündenden Seite (11) benachbarten Schultern (14» 15) durch einen konkaven Umriß (14b, 15b) begrenzt werden, dessen Konkavität der Brennkammer zugewandt ist, so daß die Abmessung (z) der Ausnehmung in einer zu der Bewegungsrichtung des Kolbens senkrechten Richtung (D) all-mählich zunimmt, wenn man sich von der offenen Seite (12) in der Bewegungsrichtung des Kolbens entfernt.
    5. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbildung so getroffen ist, daß der Beginn des Eintritts des Ansatzes (6) des Kolbens in die Ausnehmung (10) der Brennkammer für einen Winkel von etwa 60° vor dem oberen Totpunkt des Kolbens auftritt.
    6. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Zylinderkopf vorgesehene Brennkammer (3) auf der von der Ausnehmung entfernten Seite durch eine konkave Fläche (16) begrenzt wird, deren Konkavität dem Innern der Kammer (3) zugewandt ist·
    7. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit Einlaß- und Auslaßventilen, dadurch gekennzeichnet, daß diese Ventile (17» 18) in dem von der Ausnehmung (10) entfernten Teil der Brennkammer (3) angeordnet sind.
    8. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 7» gekennzeichnet durch eine einzige Vorrichtung (7a) zur Speisung mit Brennstoff, welche durch einen in die Ausnehmung (10) mündenden Einspritzer gebildet wird, wobei Mittel vorgesehen sind, welche das Arbeiten des Einspritzers in zwei Schritten bewirken, derart, daß in einem ersten Schritt, welcher während der der Abwärtsbewegung des Kolbens entsprechenden Ansaugephase erfolgt, ein homogenes armes Gemisch in die gesamte Brennkammer eingeführt wird, während in einem zweiten Schritt, welcher kurzer als der erste ist, zusätzlicher Brennstoff in die Hilfskammer (A) eingeführt wird, wenn diese durch das Eintreten des Ansatzes (6) des Kolbens in die Ausnehmung (10) gebildet ist, und zwar vor der Zündung,
    9. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge-
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    kennzeichnet, daß er eine einzige Vorrichtung zur Speisung mit Brennstoff aufweist, welche durch einen in die Ausnehmung mündenden Einspritzer gebildet wird» welcher einen doppelten Strömungskreis hat, von denen der erste während der der Abwärtsbewegung des Kolbens entsprechenden Ansaugephase der gesamten Brennkammer ein armes Gemisch liefert, während der zweite Kreis zusätzlichen Brenn· stoff in die beim Eintreten des Ansatzes des Kolbens in die Ausnehmung gebildete Hilfskammer liefert, und zwar vor der Zündung.
    809807 /OfUO
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