DE2908756C3 - Fremdgezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Hauptbrennraum und einem Nebenbrennraum - Google Patents

Description

schwindigkeitsfelder in den Brennraumteilen zu erzeugen, weiche die Ausbreitung der Flammenfront begünstigen und die Ausbildung von Quenchzonen an den Brennraumwänden verhindern.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt, ausgehend von der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 definierten, aus der DE-PS 4 12 194 bekannten Hubkolben-Brennkraftmaschine erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale dieses Patentanspruchs.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die aus der DE-PS 4 12 194 bekannte Brennraumanordnung mit unterschiedlichem Druckaufbau im Hauptbrennraum und im Nebenbrennraum so abzuändern, daß durch kurzzeitige Verbindung der Brennraumteile bei Annäherung des Kolbens an den oberen Totpunkt ein plötzliches Überströmen des höher verdichteten Gases aus dem Hauptbrennraum in den Nebenbrennraum erfolgt Dadurch werden in den Brennraumteilen Geschwindigkeitsfelder aufgebaut, welche die Ausbreitung der Flammenfront begünstigen und diese schließlich in den Nebenbrennraum übertreten lassen. Die Reaktionen hinter der Fiairimenfroni werden durch bessere Verwirbelung gefördert. Die mit hoher Geschwindigkeit an den Wänden des Kolbens und des ZyHnderraumes entlang bewegten Gase verhindern auch die Bildung von Quenchzonen.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Da gesteuerte Überströmvorgänge und Maßnahmen zur Drallerzeugung, insbesondere bei Dieselmotoren, aHgemein üblich sind, mußte bei der praktischen Verwirklichung des Erfindungsgedankens notwendig von an sich bekannten Merkmalen Gebrauch gemacht werden

So sind Steuermittel für den Überströmvorgang zwischen Zylinderraumteilen, wie sie im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 und in Anspruch 2 und 5 vorgeschlagen werden, in ähnlicher Form schon in der DE-PS 1 82 767 und in der FR-PS 8 47 467 beschrieben. In der DE-PS 1 82 767 dient der Überströmvorgang zur Einspritzung und Zerstäubung des Brennstoffes, in der FR-PS 8 47 467 zur besseren Verteilung des Brennstoffs. Eine gezielte Beeinflussung der Flammenfrontausbreitung und der Quenchzonen kann dabei nicht erfolgen.

Das Prinzip der gesteuerten Verbindung eines Haupt- und eines konzentrisch zur Zylinderachse liegenden Nebenbrennraums von Brennkraftmaschinen durch Steuermittel, die durch relativen Hub zueinander im Verlauf des Kolbenkompressionshubes die Verbindung zunächst zusteuern und bei weiterer Annäherung des Kolbens an seine obere Totpunktstellung diese Verbindung wieder aufsteuern, ist durch die US-Patentschrift 22 22 ⁴40 bekannt. Nach dem Vorschlag dieser Patentschrift tritt im Verlauf des Kompressionshubes ein Verdrängerkörper in den Nebenbrennraum ein, schließt dessen Verbindung zum Hauptbrennraum dadurch zunächst ab, bis im Nebenbrennraum durch Verdrängungswirkung ein zur Selbstzündung führender hoher Druck erreicht ist, und gibt die Verbindung dann in Form eines Kreisringquerschnitts wieder frei, um die gezündete Nebenbrennraumladung in den Hauptbrenn= raum ausströmen zu lassen. Die erfindugnsgemäße Aufgabe oder mit dieser näher vergleichbare Überlegungen lagen dem Vorschlag dieser Patentschrift nicht zugrunde.

Die stufenförmige Kolbenausbildung ist in der DE-OS 26 50 663 und in der AT-PS 95 052 angegeben. Sie bewirkt dort aber weder eine vollständige Absperrung von Brennraumteilen. noch eine Steuerung des Oberströmens. Die Zweitaktbrennkraftmaschine nach de? FR-PS 5 56 650 weist am stufenförmig abgesetzten Kolben einen Ringwulst und in einer Verlängerung des j Zylinders mit dem Ringwulst zusammenwirkende Drallrippen auf. Durch die Anordnung soll eine bessere Spülung des Zylinderraumes und eine Verwirbelung des Gemischs erreicht werden. Da eine Trennung der Brennraumteile nicht erfolgt, ist auch keine plötzliche in Steuerung des Überströmvorganges möglich.

Schließlich zeigt das Abstract aus der JP-OS 52-77 906 eine torusförmige Einbuchtung am Grunde einer Kolbenstufe. Steuermittel zum zeitweiligen Trennen des Torusraumes vom Hauptbrennraum sind nicht vorgesehen. Der Torusraum dient ausschließlich zur Aufnahme unverbrannter Gasreste, die durch die Kolbenstufe beim Auslaßhub von der Zylinderwand abgestreift werden, so daß sie nicht mit ausgestoßen werden, sondern im Torusraum verbleiben.

2« Im folgenden ist die Erfindung anhand von Prinzipskizzen und von schematisch dargestellten Ausführjngsformen beispielsweise erläutert. Es zeigen:

die F i g. 1 a und 1 b eine erste Ausführungsform mit im Kolben angeordnetem Nebenbrennraum,

die F i g. 2 eine Prinzipskizze der Flammenfrontausbreiturg im Zylinder einer herkömmlichen Hubkolben-Brennkraftmaschine,

die F i g. 3 und 4 Prinzipskizzen der Überströmsteuerung und der Flammenfrontausbreitung bei der

jo Anordnung nach den F i g. 1 a und 1 b,

die Fig. 5 eine Ausführungsform mit in der Zyl'inderwand angeordnetem Nebenbrennraum.

Bei der in den Fig. la und 1b dargestellten Kolben-Zylinderanordnung befindet sich der Kolben 1 gemäß der Fig. la an seinem unteren und gemäß der Fig. ib an seinem oberen Totpunkt Im Abstand vom Kolbenboden la weist der Kolben 1 eine etwa torusförmige Einbuchtung ib auf, die einen Nebenbrennraum 2 bildet An seinem dem Hauptbrentiraum 4 zugewandten Ende ist der Kolben 1 stufenförmig abgesetzt, so daß durch den Ringspalt zwischen dem zylindrischen Wandteil 5 der Kolbenstufe und der Zylinderwand 6 ein Verbindungskanal 3 vom Hauptbrennraum 4 zu dem Nebenbrennraum 2 gebildet wird.

Zur kolbenwegabhängigen Steuerung des Durchflusses durch den Verbindungskanal 3 ist an der Zylinderwand 6 ein Ringvorsprung vorgesehen, der z. B. durch eine in die Zylinderwand eingesetzte Dichtleiste 7 gebildet sein kann. Der Ringvorsprung bzw. die Dichtleiste 7 ist so

•jo angeordnet, daß sie im Zusammenwirken mit dem zylindrischen Wandteil 5 der Kolbenstufe den Verbindungskanai 3 absperrt, wenn sich der Kolben in einiger Entfernung von seinem oberen Totpunkt befindet und d:s Verbindung zwischen den Brennraumteilen 2 und 4 wieder freigibt, wenn sich der Kolben dem oberen Totpunkt genähert hat.

Die Wirkungsweise dieser Steuerung des Verbindungskanals 3 ist aus den F i g. 2 bis 4 im Vergleich mit den Verhältnissen in einer herkömmlichen Brennkraftmaschine zu entnehmen.

In der Fig.2 ist die Ausbreitung der Flammenfront im Zylinder einer herkömmlichen Brennkraftmaschine mit ungeteiltem Brennraum dargestellt. Die Linien in dem Brennraum 4 zeigen den Verlauf der Flammenfront _zu verschiedenen Zeitpunkten. Die Ausbreitungsrichtung der Flammenfront ist durch Pfeile angegeben. Es ist ersichtlich, daß sich die Flammenfront von der Zündkerze Z aus zunächst etwa kueelförmie und dann

ungefähr normal auf den Kolbenboden la und auf die Zylinderwand 6 zu bewegt. Die Flammenfront erlischt in der Nähe dieser Wände, so daß sich Quenchzonen bilden, die unverbranntes bzw. nur teilweise verbranntes Gemisch enthalten. Wenn man von der durch den Einlaßvorgang erzeugten, geringen Restgeschwindigkeit im Gas absieht, breitet sich die Flammenfront in praktisch ruhendem Gas mit kleiner, durch Diffusion und Wärmeleitung bedingter Geschwindigkeit aus.

Die F i g. 3 und 4 zeigen, was sich demgegenüber im Zylinder einer erfindungsgemäß ausgebildeten Brennkraftmaschine abspielt.

In der F i g. 3 befindet sich der Kolben 1 in einiger Entfernung von seinem oberen Totpunkt. Das Gas im Hauptbrennraum 4 ist vom Nebenbrennraum 2 durch υ die Dichtleiste 7 vorzugsweise berührungsfrei gegenüber dem zylindrischen Wandteil 5 abgetrennt. Bewegt sich der Kolben 1 in F i g. 3 nach oben, so wird da* Gas im !iüup;brer.nra^-jrr, 4 vie! stärker vpi-Hirhtet als das Gas im Nebenbrennraum 2. Der Grad der Verdichtung bzw. des Unterschiedes in der Verdichtung wird im wesentlichen durch die geometrische Form und die Abmessungen des Hauptbrennraumes 4, der Dichtleiste 7 und des Nebenbrennraumes 2 bestimmt. Wenn der zylindrische Wandteil 5 der Kolbenstufe gegen Ende des Konipressionshubes des Kolbens 1 die Dichtleiste 7 freigibt, strömt Gas aus dem Hauptbrennraum 4 mit hoher Geschwindigkeit in den Nebenbrennraum 2 ein. Dabei bildet sich die Flammenfront etwa gemäß den in der F i g. 4 skizzierten Linien und Pfeilen aus.

Im Gegensatz zu den Verhältnissen bei herkömmlichen Kolben-Brennkraftmaschinen breitet sich die Fi immenfront bei einer Ausführung nach der Erfindung nut hoher Geschwindigkeit aus, die sich durch die Überlagerung der Flammenfrontgeschwindigkeit im ruhenden Gas mit der Eigengeschwindigkeit des Gases ergibt. Dadurch werden Gas und Flammenfront mit hoher Geschwindigkeit an den Wänden des Zylinderraumes und des Kolbens entlang bewegt, so daß sich sehr geringe Grenzschichtdicken und kleine Quenchzonen ergeben. Außerdem bildet das in den Nebenbrennraum 2 mit hoher Geschwindigkeit einströmende Gas in diesem Brennraumteil einen starken Wirbel aus, so daß es dort zu einer vollständigen Verbrennung kommt.

Auf dem Abwärtsweg (Expansionshub) des Kolbens 1 wird der Hauptbrennraum 4 vom Nebenbrennraum 2 durch die mit dem zylindrischen Wandten" 5 zusammenwirkende Dichtleiste 7 wieder abgetrennt. Im Hauptbrennraum 4 ist die Expansion des Gases aus den oben bei der Verdichtung erläuterten Gründen nun viel so größer als im Kebenbrennraum 2, in dem die Verbrennung bei annähernd konstantem Volumen weiter verläuft. Daher kann der Gasdruck im Nebenbrennraum 2 noch ansteigen, während er im Hauptbrennraum 4 durch die Expansion abnimmt Wenn die Oberkante des zylindrischen Wandteils 5 bei ihrer Abwärtsbewegung die Dichtleiste 7 freigibt, strömt aus dem Nebenbrennraum 2 Gas mit hoher Geschwindigkeit in den Hauptbrennraum 4 und bewirkt eine starke Verwirbelung der dort etwa noch vorhandenen unvollkommen verbrannten Gasmengen. Damit wird auch die vollständige Verbrennung im Hauptbrennraum 4 gefördert.

Es zeigt die F i g. 5 eine Ausführungsform, bei welcher der Nebenbrennraum 2 von einer etwa torusförmigen Ausbuchtung 66 in der Zylinderwand 6 gebildet ist An dem Mantel des Kolbens 1 ist eine flache Einschnürung 10 vorgesehen, welche zusammen mit der Zylinderwand den Verbindungskanal 3 zum Hauptbrennraum 4 begrenzt. In seinem oberen Teil ist der Hauptbrennraum 4 radial nach außen erweitert. Der Kolben 1 weist an dem dem Kolbenboden la zugewandten Ende der Einschnürung 10 etwa seinen normalen, der Zylinderbohrung entsprechenden Außendurchmesser auf, so daß gegenüber dem Grund der Einschnürung 10 ein wulstförmiger Ringvorsprung 12 vorhanden ist, der mit dem zwischen der Brennraumerweiterung 6a und der torusförmigen Ausbuchtung 66 sich erstreckenden Teil der Zylinderwand 6c zur Steuerung des Durchlusses durch den Verbindungskanal 3 zusammenwirkt, wie das sinngemäß schon in Verbindung mit den Fig.3 und 4 beschrieben wurde. Zur Erzeugung eines die Verwirbelung fördernden Dralles in den überströmenden Gasen ist die Einschnürung 10 in an sich bekannter Weise (FR-PS 8 47 476) durch radiale, einer Schraubenlinie um die Kolbenachse folgende Rippen unterteilt. Dieselbe Wirkung kann auch bei der Ausführungsform nach den Fig. la und Ib erzielt werden, wenn an der Zyiinderwand 6 oberhalb der Dichtleiste 7 entsprechende Rippen vorgesehen werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Fremdgezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit äußerer Gemischbildung, die einen Hauptbrennraum, in dem die Verbrennung eingeleitet wird, sowie einen Nebenbrennraum aufweist, der etwa konzentrisch zur Zylinderachse derart angeordnet ist, daß die Verbindung zwischen dem Hauptbrennraum und dem Nebenbrennraum durch den Kolben in einem oberen Abschnitt seiner Hubbewegung bei der Kompression bzw. Expansion unterbrochen ist, wobei im Hauptbrennraum eine stärkere Kompression bzw. Expansion der Gasladung erfolgt als im Nebenbrennraum und am Kolben und an der Zylinderwand zusammenwirkende Steuermittel vorgesehen sind, die die während einer Kompressionsphase unterbrochene Verbindung zwischen dem Hauptbrennraum und dem Nebenbrennramn wieder freigeben, so daß Gas aus dem einen Brennraum piötziich und mit hoher Geschwindigkeit in den anderen Brennraum überströmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel (5,7,6c, 12) die in einem oberen Abschnitt der Kolbenhubbewegung bei der Kompression unterbrochene Verbindung zwischen dem Hauptbrennraum (4) und dem Nebenbrennraum (2) bei weiterer Annäherung des Kolbens (1) an den oberen Totpunkt während der Kompression wieder freigeben, so daß das höher verdichtete Gas plötzlich und mit hoher Geschwindigkeit aus den: Hauptbrennraum (4) in den Nebenbrennraum (2) überströmt.

2. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ^-'erbindungskanal (3) in an sich bekannter Weise als Rmgspalt zwischen dem oberen Mantelteil des Kolbens (1) und der Zylinderwand (6) ausgebildet ist.

3. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß der als zu seinem Boden (la) hin abgesetzter Stufenkolben ausgebildete Kolben (1) im Bereich des Stufengrundes den durch eine vorzugsweise torusförmige Einbuchtung (\b) gebildeten Nebenbrennraum (2) aufweist und daß an der Zylinderwand ein Kingvorsprung angeordnet ist, der im Zusammenwirken mit dem zylindrischen Wandtei! (5) der Kolbenstufe das überströmen der Gase vom Hauptbrennraum (4) in den Nebenbrennraum (2) und umgekehrt steuert (Fig. la und 1b).

4. Koibenbrennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringvorsprung von einer in die Zylinderwand (6) eingesetzten Dichtleiste (7) gebildet ist.

5. Koibenbrennkraftmaschine nach Anspruch 2, bei der der Nebenbrennraum als vorzugsweise torusförmige Ausbuchtung in der Zylinderwand ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuermittel für die Überströmvorgänge ein neben dem von einer Einschnürung (10) des Kolbens (1) gebildeten Verbindungskanal (3) verbleibender Ringwulst (12) des Kolbens vorgesehen ist, der mit dem zwischen einer radialen Erweiterung (6a) des Hauptbrennraumes (4) und der Ausbuchtung (6b) sich erstreckenden Teil (6c,) der Zylinderwand zusammenwirkt (F i g. 5).

Die Erfindung betrifft eine fremdgezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit äußerer Gemischbildung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Hubkolben-Brennkraftmaschinen mit in Teilräume unterteiltem Zylinderraum sind, insbesondere im Dieselmotorenbau, seit langem bekannt Dabei wird entweder durch vom Kolben bewirktes Oberschieben von Luft aus einem Teilraum in den anderen über einen dauernd offenen Verbindungskanal oder durch höhere Luft'rompression in einem Teilraum und durch plötzliches, gesteuertes Überströmen der verdichteten Luft in den anderen Teilraum die Verteilung des eingespritzten Kraftstoffes verbessert, sowie die Gemischbildung und die Verwirbelung des Gemisches im Brennraum begünstigt

Zur Lösung des bei vielen modernen Brennkraftmaschinen wesentlichen Problems der Verminderung der Schadstoffemission sowie der besseren Brennstoffausnutzung durch Beeinflussung der Flammfrontausbreitung und durch Verminderung der Quenchzonen in der Nähe der Brenr.raumwände vermögen diese bekannten Konstruktionen mit mehrteiligen Zylinderräumen nichts beizutragen, weil die von ihnen hervorgerufenen Strömungsvorgänge nur den ersten Teil des Verbrennungsablaufes beeinflussen und ihre Wirkung dann schnell abklingt

In neuerer Zeit ist tiirch die DE-OS 27 45 902 eine Brennkraftmaschine mit unterteiltem Brennraum bekanntgeworden, die eine Verminderung der Schadstoffemission und eine Verbesserung des Wirkungsgrades erreichen soll. Bei der Ausführungsform nach der F i g. 4 dieser Druckschrift sind der Hauptbrennraum und der Nebenbrennraum ständig miteinander verbunden. In beiden Teilräumen herrscht somit am Ende des Kompressionshubes etwa derselbe Druck. Eine Beeinflussung des Verbrennungsvorganges im Hauptbrennraum kann deshalb nur durch instationäre Druckwellen erfolgen, die gemäß den Ausführungen in der Druckschrift nach Zündung des Gem/^'hes aus dem Nebenbrennraum in den Hauptbrennraum übertreten sollen. Daneben spielt auch die Erhitzung der dünnen, scheibenförmigen Kappe des Kolbens eine die Verbrennung fördernde Rolle. Es ist zu bezweifeln, daß die nur kurzzeitig verlaufenden Druckwellen eine wesentliche Verbesserung der Verbrennung und eine Verminderung der Schadstoffemission bewirken.

Aus der DE-PS 4 12 194 ist eine fremdgezündete Hubkolbenbrennkraftmaschine mit äußerer Gemischbildung bekannt, deren Zylinder einen Hauptbrennraum, in dem die Verbrennung eingeleitet wird, sowie einen Nebenbrennraum aufweisen, der etwa konzentrisch zur Zylinderachse derart angeordnet ist, daß die Verbindung zwischen dem Hauptbrennraum und dem Nebenbrennraum durch den Kolben im oberen Abschnitt seiner Hubbewegung bei der Kompression bzw. Expandion unterbrochen wird, wobei im Hauptbrennraum eine stärkere Kompression bzw. Expansion der Gasladung erfolgt als in dem Nebenbrennraum. Hierdurch soll dem Kolben ein zweiter Antrieb erteilt werden. Eine Verbesserung der Verbrennung im Hauptbrennraum und eine Verminderung der Schadstoffemission kann auch mittels dieser Brennraumanordnung nicht erreicht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit äußerer Gemischbildung und geteiltem Brennraum, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, zur Verbesserung der Verbrennung und zur Verminderung der Schadstoffemission Ge-