DE2913763C2 - Hubkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine 4-Takt obengesteuerte Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Brennkraftmaschinen dieser Art sind in den älteren Patentanmeldungen gemäß DE-OS 27 57 648 und DE-OS 28 09 968 beschrieben. Bei ihnen sind die Oberflächen der seitlichen Begrenzungen der Brennraummulden rotationssymmetrisch zur Längsachse des Einlaßventiles. Die Saugleitung ist dabei so ausgebildet, daß die in die Mulde einströmende Luft starken Drall bekommt, der also allein durch die Ausbildung der Saugleitung bewirkt wird. Die alleinige Erzeugung des Dralles durch die Ausbildung der Saugleitung verringert jedoch die Füllung.

Es ist ferner ein Brennraum eines Vergasermotores bekannt (DD-PS 56 135), der eine nicht nur die Einlaßöffnung, sondern auch die Auslaßöffnung enthaltende, langgestreckte Wanne aufweist, in der beim Verdichtungstakt gleichzeitig zwei gegensinnig rotierende Wirbel entstehen, deren Rotationsachsen auch nicht im wesentlichen parallel zur Längsachse des Einlaßventiles, sondern parallel zum Kolbenboden verlaufen. Diese Wirbel entstehen jedoch nicht durch bereits beim Ansaugen erzeugte Drallströmungen, sondern erst während des Verdichtungstaktes durch in Längsrichtung der Wanne zueinander versetzte und an gegenüberliegenden Seiten der Wanne angeordnete Abschrägungen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, daß wirksamer Drall im Brennraum bei guter Füllung erreicht werden soll, zur Erzielung hohen thermodynamischen Wirkungsgrades. Diese Aufgabe wird bei einer Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil

dieses Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst

Die Erfindung ermöglicht besonders hohe thermodynamische Wirkungsgrade. Da ferner der beim Einströmen der Luft oder des Gemisches entstehende Drall zumindest teilweise durch die Ausbildung der Mulde erzeugt wird, werden hierdurch die Strömungsverluste verringert und damit gute Füllung erreicht Auch ist die Erfindung baulich einfach und kostengünstig zu realisieren.

Die erfindungsgemäße Maschine kann vorzugsweise ein fremdgezündeter Otto-Motor, insbesondere ein solcher sein, bei dem der Treibstoff der anzusaugenden Luft schon vor dem Einlaßventil zugeführt wird. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, den Treibstoff allein oder in Verbindung mit einer Zusatzluftmenge direkt in den Zylinder auf eine der zahlreichen und an sich bekannten Weisen einzubringen. Die Fremdzündung kann in üblicher Weise mittels mindestens einer Zündkerze oder gegebenenfalls auch einer Glühkerze cder dergL erfolgen. Die erfindungsgemäße Maschine kann mit Vorteil auch eine selbstzündende, d.h. eine Diesel-Brennkraftmaschine sein.

Auch lassen sich durch die kontrollierte Bewegung der Luft bzw. Ladung hohe Ausbrenngrade erreichen. Bei Ausbildung als Diesel-Maschine kann dies zur Verringerung des Rußanteiles und/oder zur Erhöhung des Mitteldruckes ausgenutzt werden. Bei Ausbildung als Otto-Motor lassen sich besonders hohe Verdichtungsverhältnisse und besonders magere, vorzugsweise homogene Treibstoff-Luftgemische äußerst schnell und aussetzerfrei verbrennen, so daß auch sehr geringe spezifische Treibstoffverbrauchswerte erreichbar sind. Auch läßt sich die Emission von Schadstoffkomponenten im Abgas gering halten.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß aus dem Bereich zwischen Auslaßventilteller und dem diesem zugewandten Kolbenboden eine kanalartige, im Zylinderkopf und/oder Kolbenboden angeordnete, zum Kolbenboden bzw. Zylinderkopf über ihre gesamte Länge hin offene Verbindung zu der Mulde vorgesehen ist, deren Tiefe wesentlich geringer als ihre Breite ist, und die so ausgebildet ist, daß gegen Ende des Verdichtungstaktes Ladungsteile aus dem Verdrängungsbereich in sie einströmen und so in die Mulde verdrängbar sind, daß in ihr eine Drallströmung entsteht oder eine schon vorhandene Drallströmung verstärkt wird, deren Drehachse im wesentlichen parallel zur Längsachse des Einlaßventils verläuft. Hierdurch kann die Verbrennung noch weiter verbessert und der thermodynamische Wirkungsgrad noch weiter erhöht werden.

Um diese Drallverstärkung durch die aus der kanalartigen Verbindung in die Mulde einströmenden Ladungsteile noch weiter zu erhöhen, kann vorgesehen sein, daß der Mündungsrand der kanalartigen Verbindung in der Mulde vom drallaufwärtigen Ende aus ein Stück weit stark abgerundet ist und dann anschließend bis zum drallabwärtigen Ende relativ scharfkantig ist. Hierdurch reißt die Strömung von der von der kanalartigen Verbindung aus in die Mulde einströmenden Ladungsteile am relativ scharfkantigen Bereich des Mündungsrandes der akanlartigen Verbindung ab und es bildet sich so eine kompaktere Strömung aus der kanalartigen Verbindung in die Mulde hinein aus. Besonders günstig ist es, daß die kanalartige Verbindung ein im wesentlichen tangentiales Einströmen des verdrängten Ladungsteiles in Jie Mulde bewirkt, indem der seometrische FlächenschwerDunkt ihres Mündungsquerschnittes am Eingang zur Mulde von der Zylindermittellängsachse in Richtung der in der Mulde anzuregenden Drallströmung der Ladung verschoben ist Hierdurch wird die Drallerzeugung oder -verstärkung, die die von der kanalartigen Verbindung gegen Ende des Verdichtungstaktes in die Mulde aus einströmenden Ladungsteile verursachen, noch weiter intensiviert

In vielen Fällen kann auch zweckmäßig vorgesehen

ίο sein, daß die Mulde ganz oder teilweise im Kolbenboden ausgebeildet ist Dies hat insbesondere dann Vorteile, wenn insbesonderes bei langem Hub des Kolbens, die Mulde, wenn sie nur im Zylinderkopf vorgesehen wäre, unerwünscht tief in den Zylinderkopf eingelassen werden müßte. Meist ist es jedoch im allgemeinen zweckmäßiger, wenn die dem Zylinderkopf zugewandte Seite der Kolbenbodenoberfläche eine muldenfreie Oberfläche ist die schwach gewölbt oder zur Minimierung ihrer Fläche eben ist

Wenn die Zündung der Ladung mittels mindestens einer im Bereich der Mulde angeordneten Zündkerze erfolgt kann zweckmäßig vorgesehen sein, daß die Zündkerze in dem Bereich der Mulde angeordnet ist, in den das Frischgas mit Vorzugsrichtung einströmt Dies ergibt bessere Kühlung der Zündkerze und hat auch den Vorteil günstiger Flammausbreitungsrichtung.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt
F i g. 1 zeigt schematisch eine Ansicht eines ausführangsgemäßen Zylinderkopfes aus der Sicht von der Zylinderbohrung her,

Fig.2 zeigt schematisch einen Teillängsschnitt des den Zylinderkopf nach F i g. 1 aufweisenden Zylinders in der Schnittebene 5-ßder F i g. 1,

F i g. 3 zeigt schematisch einen Schnitt durch denselben Zylinder in der Schnittebene A-A der F i g. 1,

Fig.4—9 zeigen drei weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele ausführungsgemäßer Zylinder, jeweils in Draufsicht auf den dem Kolben zugewendeten Zylinderkopf (Fig.4, 6, 8) und Teillängsschnitte durch die betreffenden Zylinder, gesehen entlang der Schnittebenen B'-B'(F i g. 5), B"-B"(F i g. 7) und C-C(F i g. 9) der F i g. 4,6 und 8.
In den Fig. 1—3 ist eine Ausbildung eines ausführungsgemäßen Zylinderkopfes 11 schematisch dargestellt. Die anzusaugende Luft oder das anzusaugende Treibstoff-Luftgemisch gelangt in Richtung des Pfeiles 1 durch den Ansaugkanal 2 während des Ansaugtaktes, d. h. bei geöffnetem Einlaßventil 3", dessen Ventilteller

so mit 3 bezeichnet ist, in den Brennraum 4 bzw. in den an ihn anschließenden, den Kolben 6 führenden Zylinderraum, dessen Wand mit 5 bezeichnet ist. Das Ansaugen geschieht, wie bekannt, durch die vom Zylinderkopf 11 wegführende Bewegung des Kolbens 6, der in den Fig.2 und 3 dargestellt ist. Die Oberfläche der seitlichen Begrenzung der Mulde 12 ist so ausgebildet, daß während des Einlaßvorganges der Ladung eine Drallströmung gemäß Pfeil 8 im Zylinder angeregt wird oder, sofern eine Drallströmung schon durch geeignete Anordnung und Formgebung der Ansaugkanalführung und/oder Ansaugkanalgestaltung erzeugt wird, diese unterstützt, indem dazu vorgesehen ist, daß die Muldenrandseite 40, auf die die einströmende Ladung mit Vorzugsrichtung zuströmt, sich in größerem Abstand von der Einlaßöffnung 42, welche durch den Ventilteller 3 des Einlaßventiles 3" absperrbar ist, befindet, als die ihr gegenüberliegende Randseite 41 der Mulde. Der so während des Ansaugens entstehende

Drall der Ladung im Zylinder bleibt erhalten. Gegen Ende des Verdichtungstaktes nähert sich der ebene Kolbenboden 10 des Kolbens 6 dem Zylinderkopf 11. Dabei wird der überwiegende Teil der Ladung und somit auch des in ihr bestehenden Dralles in die Mulde 12 des Zylinderkopfes 11 verdrängt, in dem das Totvolumen zwischen Kolbenboden 10 und dem den Auslaßventilteller 14 des Auslaßventiles 14" umgebenden Verdrängungsbereich 15 des Zylinderkopfes 11 klein wird. Der Drehsinn dieses Dralles bleibt dabei in der Mulde 12 erhalten und ist mit Pfeil 16 dargestellt. Dabei erhöht sich die Dreh- bzw. Winkelgeschwindigkeit der während des Ansaugens aufgebauten Drallströmung 8 zufolge des verringerten Durchmessers in etwa entsprechend dem bekannten Drallgesetz.

Es sind noch in der Mulde 12 Bohrungen bzw. öffnungen 17, 18, 19 dargestellt, die das Einsetzen von Zündmitteln, wie Glühkerzen oder Zündkerzen oder dergleichen und/oder an sich bekannte Zufuhrmöglichkeiten für Treibstoff oder Treibstoff-Luftgemische, wie z. B. Einspritzdüsen oder Ventile, erlauben. Die Tiefe der Mulde 12 ist wie dargestellt, kleiner als der kleinste, in der Schnittebene A-A der F i g. 3 liegende Durchmesser ihrer dem Kolbenboden 10 zugewendeten öffnung 43.

Die Zündkerze kann vorteilhaft im Bereich der Mulde bei 18 angeordnet sein, vorzugsweise bei fremdgezündeten Motoren, insbesondere wenn diese ein Treibstoff-Luftgemisch ansaugen.

In Fig.4 und 5, die ähnliche Schnitte wiedergeben wie Fig. 1 und 2, ist eine weitere vorzugsweise Ausbildung eines ausführungsgemäßen Brennraumes dargestellt. Die Muldenrandseite 40, auf die die einströmende Ladung mit Vorzugsrichtung aus dem Ansaugkanal 2 zuströmt, ist wiederum in größerem Abstand von der Einlaßöffnung 42 als die ihr gegenüberliegende Muldenrandseite 41 der Mulde 12 angeordnet. Hierdurch weist die Mulde 12 des Zylinderkopfes 11 auf der vom Einlaßkanal 2 am weitesten entfernten Seite einen größeren öffnungswinkel 33 auf, als auf der ihr gegenüberliegenden Seite, die näher am Einlaßkanal 2 liegt, so daß der öffnungswinkel 34 kleiner als der öffnungswinkel 33 ist. Damit ist bei geöffnetem Einlaßventil 3" der Einströmquerschnitt im Bereich des öffnungswinkels 33 größer als im Bereich des Öffnungswinkels 34. Es wird wiederum während des Ansaugtaktes eine Dreh- oder Drallbewegung der Ladung im Zylinder erreicht, oder eine gegebenenfalls durch die Ansaugkanalanordnung und -ausbildung angeregte Drallbewegung der Ladung unterstützt bzw. verstärkt. Diese Wirkung ist mit Pfeil 35 dargestellt, der die Einströmrichtung der größeren Menge der angesaugten Ladung darstellt, solange sich das Einlaßventil 3" in einer gestrichelt dargestellten, zumindestens teilweisen Öffnungsstellung 3' befindet. Zusätzlich ist in der Verdränger- oder Quetschzone 15 des Zylinderkopfes 11 eine kanalartige, zum Kolbenboden 10 über ihre gesamte Länge hin offene Verbindung 20 vorgesehen, deren Tiefe wesentlich geringer als ihre Breite ist, und die vom Bereich des Auslaßventiltellers 14 zu der Mulde 12 führt, die den Hauptanteil des Totvolumens dieses Zylinders darstellt. Diese kanalartige Verbindung 20, die man auch als Leitkanal bezeichnen kann, und die in Richtung zur Mulde 12 ihre Querschnittsform verändern kann, mündet im Bereich 23 in die Mulde 12, d. h. seitlich in die mit ihrem Rand näher am Einlaßventilteller 3 liegende Hälfte der Mulde 12, und weist in diesem Bereich einen Querschnitt auf,

ίο dessen Flächenschwerpunkt 21 relativ zum Volumenschwerpunkt 24 der Mulde 12 so liegt, daß ein im wesentlichen tangentiales Einströmen der gegen Ende des Verdichtungstaktes aus dem Quetschbereich verdrängten Ladungsteile in die Mulde 12 bewirkt wird.

Dadurch wird die Drallströmung in der Mulde 12 gegen Ende des Verdichtungstakies verstärkt.

In den zu den F i g. 4 und 5 ähnlichen F i g. 6 und 7 ist eine kanalartige Verbindung 20 derart angeordnet und ausgebildet, daß ihr Mündungsrand in Drallrichtung der in der Mulde 12 entstehenden Drallströmung 16' gesehen etwa von der Stelle 25' ab relativ scharfkantig ist, so wie dies ohne speziellen Aufwand gießereitechnisch möglich ist. also mit einem kleinen Radius, wogegen der restliche Mündungsrand aber der Stelle

25' in Gegendrallrichtung einen wesentlich größeren Radius aufweist, wie es schematisch durch die Linien 25 dargestellt ist. Die Übergangsstelle 25' liegt, wie dargestellt, in diesem Ausführungsbeispiel etwas außermittig zum drallaufwärtigen Ende des Mündungsrandes

3ü hin verschoben. Auch mit einer derartigen Ausbildung der Mündung der Verbindung 20 läßt sich eine zwar geringere, jedoch die Flammausbreitung in der Mulde 12 fördernde Ladungsbewegung im genannten Drallsinn 16' verstärken.

F i g. 8 und 9 zeigen eine Brennraumgestaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung an einem Motor, dessen obenliegende Ventile 3", 14" schräg angeordnet sind. Der Kolben 6 weist einen leicht gewölbten Bodenbereich 30 auf, der in geringem

Abstand zu dem den Auslaßventilteller 14 umgebenden Bereich 15 des Zylinderkopfes 11 verläuft, wenn dieser Kolben 6 in seiner oberen Totpunktstellung ist.

Die kanalartige Verbindung 20 ist teils im Zylinderkopf 11 und teils im Kolbenboden des Kolbens 6

angeordnet, ebenso wie auch ein Teil der Mulde 12 teils

im Zylinderkopf und teilweise im entsprechenden

darunterliegenden Kolbenbodenbereich vorgesehen ist.

Im Bereich der Quetschzone ist die kanalartige

Verbindung 20 teilweise in den Zylinderkopf 11 und

teilweise in den Kolbenboden des Kolbens 6 eingelassen und mündet relativ scharfkantig in die Mulde 12 auf der Zylindekopfseite ebenso wie auf der Kolbcr.scite. \r, der Gegendrallrichtung geht die Quetschfläche des Zylinderkopfes 11 sanft in den Muldenbereich 31 der Mulde 12 über.

Es gibt Fälle, bei denen zwei Zündmittel pro Brennraum erwünscht oder vorgeschrieben sind. Sie sind mit 18 bezeichnet

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. 4-Takt obengesteuerte Hubkolbenbrennkraftmaschine, vorzugsweise mit äußerer Gemischbildung, mit mindestens einem Zylinder, dessen Brennraum mindestens je ein Einlaß- und Auslaßventil aufweist, deren Ventilteller mindestens im wesentlichen oder gänzlich innerhalb der durch die Kolbenlaufbahn bestimmten geometrischen Zylinderfläche liegen und auch der eigentliche Brennraum ganz oder zumindest im wesentlichen innerhalb dieser Zylinderfläche angeordnet ist, wobei die dem Kolbenboden zugewandte Seite des vorzugsweise einzigen Auslaßventiltellers des Zylinders in einem Teilbereich des Zylinderkopfes angeordnet ist der in der oberen Totpunktstellung des Kolbens in geringem Abstand von dessen Kolbenboden verläuft und somit in Verbindung mit dem Kolbenboden einen Verdrängungsbereich für Teile des zu verdichtenden Frischgases darstellt, wobei ferner der vorzugsweise einzige Einlaßventilteller in einem zweiten Teilbereich des Zylinderkopfes angeordnet ist, welcher das Haupttotvolumen des Brennraumes zusammen mit dem ihm gegenüberliegenden Kolbenbodenbereich begrenzt, und wobei dieser zweite Teilbereich des Zylinderkopfes und/ oder der ihm gegenüberliegende Kolbenbodenbereich eine Mulde bildet, deren maximale Tiefe kleiner als dc-r kleinste Durchmesser ihrer dem Kolbenboden bzw. dem Zylinderkopf zugewandten Öffnung ist, in welcher Mulde eine Drallströmung des Hauptteiles der verdichteten Ladung auftritt, deren Drehachse im wesentlichen parallel zur Längsachse des Einlaßventiles verläuft, wobei vorgesehen sein kann, daß diese Drallströmung durch die Form und Anordnung des Frischgas-Einlaßkanales erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der seitlichen Begrenzung der Mulde (12) die Ausbildung der Drallströmung zumindest unterstützt, indem die Drallströmung im Zylinder während des Einlaßvorganges des Gases angeregt wird oder, sofern eine Drallströmung durch die Anordnung und Formgebung des Einlaßkanales (2) erzeugbar ist, diese unterstützt, indem die Muldenrandseite, auf die das einströmende Frischgas mit Vorzugsrichtung zuströmt, in größerem Abstand von der Einlaßöffnung, welche durch das Einlaßventil (3") absperrbar ist, als die ihr gegenüberliegende Randseite der Mulde angeordnet ist.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Bereich zwischen Auslaßventilteller (14) und dem diesem zugewandten Kolbenboden (10) eine kanalartige, im Zylinderkopf und/oder Kolbenboden angeordnete, zum Kolbenboden bzw. Zylinderkopf über ihre gesamte Länge hin offene Verbindung (20) zu der Mulde (12) vorgesehen ist, deren Tiefe wesentlich geringer als ihre Breite ist, und die so ausgebildet ist, daß gegen Ende des Verdichtungstaktes Ladungsteile aus dem Verdrängungsbereich in sie einströmen und so in die Mulde (12) verdrängbar sind, daß in ihr eine Drallströmung entsteht oder eine schon vorhandene Drallströmung verstärkt wird, deren Drehachse im wesentlichen parallel zur Längsachse des Einlaßventils (3") verläuft.

3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mündungsrand der kanalartigen Verbindung (20) in der Mulde (12) vom drallaufwärtigen Ende aus ein Stück weit stark abgerundet ist und dann anschließend bis zum drallabwärtigen Ende relativ scharfkantig ist

4. Maschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die kanalartige Verbindung/20) ein im wesentlichen tangentiales Einströmen des verdrängten Ladungsteiles in die Mulde (12) bewirkt indem der geometrische Flächenschwerpunkt (21) ihres Mündungsquerschnittes am Eingang zur Mulde (12) von der Zylindermittellängsachse in Richtung der in der Mulde anzuregenden Drallströmung der Ladung verschoben ist

5. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die Mulde

(12) ganz oder teilweise im Kolbenboden ausgebildet ist (F ig. 8,9).

6. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß die dem Zylinderkopf

(11) zugewandte Seite des Kolbenbodens eine muldenfreie Oberfläche hat

7. Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenboden (10) eben ist

8. Maschine, bei welcher die Zündung der Ladung mittels mindestens einer im Bereich der Mulde angeordneten Zündkerze erfolgt, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, düß die Zündkerze in dem Bereich der Mulde (12) angeordnqt ist, in den das Frischgas mit Vorzugsrichtung einströmt.