DE2735017C2 - Hubkolbenbrennkraftmaschine mit geschichteter Ladung - Google Patents
Hubkolbenbrennkraftmaschine mit geschichteter LadungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Ladungsschichtung, umfassend einen Zapfen
am Kolben, der mit einer mit vorspringenden Schultern versehenen Ausnehmung im Zylinderkopf zusammenwirkt,
in die der Zapfen nahe dem oberen Totpunkt eintritt, und dadurch in der Brennkammer zwischen dem
Zapfen und dem Zylinderkopf eine mit der Brennkammer nach dem Eintritt des Zapfens in die Ausnehmung
in Verbindung stehende Hilfskammer bestimmt, Mittel zur Einführung eines brennstoffreichen Gemisches in
die Hiifskammer und Zündmittel zur Zündung des brennstoffreichen Gemisches.
Bekanntlich wird mit dem Ausdruck »Hubkolbenbrennkraftmaschine mit geschichteter Ladung« eine
Brennkraftmaschine bezeichnet, in welcher im Zeitpunkt der Zündung ein heterogenes Gemisch zwischen
dem Sauerstoffträger und dem Brennstoff gebildet wird.
Dieses Gemisch ist brennstoffreich in der Nähe der Zündmittel, so daß es leicht zündet, während das
Gemisch in dem Rest der Brennkammer brennstoffarm ist. Die bequeme Zündung des brennstoffreichen
Gemischteils pflanzt sich auf das restliche brennstoffarme Gemisch fort. Mit e;ner derartigen geschichteten
Ladung kann man eine vollständige Verbrennung eines heterogenen Gemisches enthalten, welches im Ganzen
brennstoffarm ist, so daß der Gehalt der Verbrennungsgase an Schadstoffen, insbesondere CO, NOx und
Kohlenwasserstoffen gering ist.
Eine Hubkolbenbrennkraftmaschine der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der DE-PS 1 36 940
bekannt. Bei dieser bekannten Brennkraftmaschine wird in dem Arbeitszylinder Luft und in der Hilfskammer
so Brennstoff verdichtet, wobei in der Hilfskammer ein
Hilfsgemisch derart eingelagert wird, daß durch dessen Explosion und den dadurch entstehenden Überdruck
der Brennstoff aus der Hilfskammer in Richtung auf den Arbeitszylinder getrieben wird, um sich im Verbrennungsraum
mit der dort befindlichen Luft zu vermischen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten An
dahingehend zu verbessern, daß eine vollständige Verbrennung des heterogenen Gemisches und insbesondere
eine vollständige Fortpflanzung der Verbrennung von dem brennstoffreichen Gemisch auf das
brennstoffarme Gemisch erreicht wird.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Ausnehmung durch eine zwischen zwei in die Brennkammer
vorspringenden Schultern liegenden Nut gebildet wird und eine in die Brennkammer in einer zu
der Bewegungsrichtung des Kolbens querliegenden
Richtung mündende offene Seite hat, wobei die hilfskammer durch diese Seite mit der Brennkammer in
Verbindung bleibt, und daß die Zündmittel nahe dieser Seite der Ausnehmung angeordnet sind, während die
Mittel zur Einführung des brennstoffreichen Gemisches in die Ausnehmung auf der von der in die Brennkammer
mündenden Seite entfernten Seite münden.
Vorzugsweise ist die Verbindungsfläche zwischen dem oberen Abschnitt des Zapfens oder »Keiles« und
dem Kolbenkopf von einer zylindrischen, nach außen ]0
konkaven Fläche gebildet, weiche bei dem Eintritt des Zapfens in die nutförmige Ausnehmung eine Wirbelbewegung
der aus der Hilfskammer zu der Brennkammer hingetriebenen Gase erzeugen kann, in diesem Zusammenhang
wird auf die britische Patentschrift 6 60 275 hingewiesen, aus der eine Hubkolbenbrennkraftmaschine
bekannt ist, bei welcher der Kolben an seinem Kopfende einen unsymmetrischen Ansatz aufweist, der
mit einer zylindrischen konkaven Verbindungsfläche in den Kolbenkopf übergeht. Der Ansatz hat bei dieser
Brennkraftmaschine den Zweck, gegen Ende des Verdichtungshubes das durch den Ansatz, der dem
Einlaßventil gegenüber liegt, verdrängte Gemisch in den Hohlraum zu wirbeln, der durch die konkave
Verbindungsfläche gebildet wird und gegenüber dem heißen Auslaßventil liegt. Durch diese Verwirbelung
werden die Gase in dem Hohlraum gekühlt, so daß auch Brennstoffe mit einer niedrigen Oktanzahl verwendet
werden können, ohne daß ein Klopfen in der Brennkraftmaschine auftritt. jo
Vorzugsweise ist die Ausbildung so getroffen, daß der Eintritt des Zapfens oder Ansatzes an dem Kolben in die
Ausnehmung der Brennkammer für einen Winkel von etwa 60° vordem oberen Totpunkt des Kolbens erfolgt.
Die Einlaß- und Auslaßventile sind in dem von der Ausnehmung entfernten Teil der Brennkammer angeordnet.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Schnitlansicht einen Teil eines Motors.
Fig. 2 ist eine Ansicht längs der Linie H-II der Fig. I.
F i g. 3 zeigt schaubildlich den Kolben des Motors.
Fig.4 ist ein Schaubild der Änderungen der Konzentrationen der Verbrennungsgase an Verseuchungsstoffen,
welche als Ordinaten in Funktion der als Abszissen aufgetragenen wachsenden Verarmung des
Gemischs aufgetragen sind.
F i g. 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 einem Ansatz
6, der mit dem Zylinderkopf zusammenwirken kann, 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 bo
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 F i g. 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 lOgebildet.
Diese Öffnung 12, welche in einer zu der Richtung A 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 A 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 Hilfskammer A nimmt bei dem Hub des Kolbens 4 bis zu seinem oberen Totpunkt ab.
Der kleinste Wert des Volumens der Hilfskammer A wird für den oberen Totpunkt des Kolbens 4 erreicht,
wobei dann dei 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
Hilfskainmer 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 F i g. 1 liegt die Öffnung 13 in dem oberen Teil
der Ausnehmung 50.
Die Ausnehmung 10 wird durch eine Rille oder Nut zwischen zwei in die Brennkammer vorspringenden
Schultern 14, 15 (F i g. 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 P
symmetrisch. Diese Symmetrieebene entspricht der Schnittebenc der Fig. 1. Die Achsen des Kerzenschachts
9 und der Ausnehmung des Einspritzers liegen in dieser Ebene P.
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 14£>
begrenzt, so daß die Abmessung χ der Ausnehmung 10 in einer zu der Richtung Δ senkrechten Richtung
allmählich zunimmt, wenn man sich von der offenen Seite 12 entfernt (siehe F i g. 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 ^ (Fig. 2) zwischen den Wänden 14a,
15a ist bis auf das betriebliche Spiel gleich der Breite des Ansatzes 6, wie in F i g. 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 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 6c/des Zapfens und dem Kolbenkopf wird
durch eine konkave zylindrische Fläche gebildet.
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 ist die Ausbildung so getroffen, daß der Beginn des Eintritts des Zapfens 6 in die Ausnehmung !0
für einen Wi; kel 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 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 Gemischs oder eines unter
Druck vergasten Gemischs. Falls die Speisevorrichtung 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 Eint.eten des
Zapfens 6 in die Ausnehmung 10 gebildet wird, und vor der Zündung.
Die Benutzung eines einzigen Einspritzers mit doppeltem Strömungskreis fällt ebenfalls in den
Rahmen der Erfindung.
Ein derartiger Einspritzer arbeitet dann folgendermaßen.
Der erste Strömuneskreis des EinsDritzers führt in
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 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
ίο 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
bestehen bleibt.
Die Speisevorrichtung bewirkt dann nach der Bildung der Hilfskammer A die Zufuhr eines an Brennstoff
reichen Gemischs.
Bei Fortsetzung seiner Aufwärtsbewegung treibt der Zapfen 6 das angereicherte Gemisch zu der Zündkerze
8, welche im richtigen Augenblick die Verbrennung dieses reichen Gemischs 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 Gemischs der Brennkammer 3 und der
Hilfskammer A.
Der Betriebspunkt des Verbrennungsmotors kann daher in der Nähe des in F i g. 4 dargestellten Punkts mit
der Abszisse 19 liegen, welcher einer Gesamtkonzentration des verhältnismäßig armen Gemischs 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 F i g. 4, daß für einen derartigen Betriebspunkt mit
der Abszisse 19 der Gehalt Cder Verbrennungsgase an Verseuchungsstoffen, wie Stickstoffoxyden (NOX),
Kohlenoxyd (CO) und Kohlenwasserstoffen (HC) gering ist. Außerdem 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.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Ladungsschichtung, umfassend einen Zapfen am Kolben, der
mit einer mit vorspringenden Schultern versehenen Ausnehmung im Zylinderkopf zusammenwirkt, in
die der Zapfen nahe dem oberen Totpunkt eintritt und dadurch in der Brennkammer zwischen dem
Zapfen und dem Zylinderkopf eine mit der Brennkammer nach dem Eintritt des Zapfens in die
Ausnehmung in Verbindung stehende Hilfskammer bestimmt, Mittel zur Einführung eines brennstoffreichen
Gemisches in die Hilfskammer und Zündmittel zur Zündung des brennstoffreichen Gemisches,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung
(10) durch eine zwischen zwei in die Brennkammer (3) vorspringenden Schultern (14,15)
liegenden Nut gebildet wird und eine in die Brennkammer (13) in einer zu der Bewegungsrichtung
des Kolbens (4) quer liegenden Richtung (D) mündende offene Seite (11) hat, wobei die
Hilfskammer (A) durch diese Seite (11) mit der Brennkammer (3) in Verbindung bleibt, und daß die
Zündmittel (8) nahe dieser Seite (11) der Ausnehmung (10) angeordnet sind, während die Mittel (7 a)
zur Einführung des brennstoffreichen Gemisches in die Ausnehmung (10) auf der von der in die
Brennkammer mündenden Seite (11) entfernten Seite münden.
2. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsfläche
zwischen dem oberen Teil (<öd) des Zapfens (6) und dem Kopf des Kolbens (4) durch eine
zylindrische konkave Fläche (6s) gebildet wird, welche bei dem Eintritt des Zapfens (6) in die
Ausnehmung (10) eine Wirbelbewegung der aus der Hilfskammer (Aj zu der Brennkammer (3) getriebenen
Gase erzeugt.
3. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
der in die Brennkammer (3) mündenden Seite (11) benachbarten Schultern (14, 15) durch einen
konkaven Umriß (i4b) begrenzt werden, dessen Konkavität der Brennkammer (3) zugewandt ist, so
daß die Abmessung (,ν,/der Ausnehmung (10) in einer
zu der Bewegungsrichtung des Kolbens (4) senkrechten Richtung (Xty allmählich zunimmt, wenn man
sich von der offenen Seite (12) der Ausnehmung (10) in Richtung des Kompressionshubes bewegt.
4. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Ausbildung so getroffen ist, daß der Beginn des Eintritts des Zapfens (6) in die Ausnehmung (10) der
Brennkammer (3) für einen Winkel von etwa 60° vor dem oberen Totpunkt des Kolbens (4) auftritt.
5. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
in dem Zylinderkopf (2) vorgesehene Brennkammer (3) auf der von der Ausnehmung (10) entfernten
Seite durch eine konkave Fläche (16) begrenzt wird.
6. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit Einlaß- und Auslaßventilen,
dadurch gekennzeichnet, daß diese Ventile (17,18) in dem von der Ausnehmung (10) entfernten Teil der
Brennkammer (3) angeordnet sind.
7. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine
einzige Vorrichtung (7a) zur Speisung mit Brenn-
stoff, 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 (4) entsprechenden Ansaugphase
erfolgt ein homogenes brennstoffarmes Gemisch in die gesamte Brennkammer (3) eingeführt
wird, während in einem gegenüber dem ersten Schritt kürzeren zweiten Schritt vor der Zündung
zusätzlicher Brennstoff in die Hilfskammer (A) eingeführt wird, wenn diese durch das Eintreten des
Zapfens (6) in die Ausnehmung (10) gebildet ist.
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