DE3004580C2 - Luftverdichtende Hubkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine luftverdichtende si Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Luftdrall der in den Zylinder einströmenden Verbrennungsluft und mehrstrahliger luftverteilter Brennstoffeinspritzung in einen Brennraum im Kolben von rotationskörperförmigem, omega-förmigem Querschnitt, dessen kreisrunde Außenform von mehreren Ausnehmungen unterbrochen wird, die eine rosettenförmige Außenkontur ergeben, deren Ausnehmungen jeweils einen etwa gleichlangen Abschnitt einnehmen wie die zwischen zwei Ausnehmungen liegende Umfangslänge, wobei je β'> ein Brennstoffstrahl in Richtung der größten Erstrekkung der Ausnehmung gerichtet ist.

Bei der Entwicklung schnellaufender Dieselmotoren steht heute die Senkung des Kraftstoffverbrauchs und die Verringerung der Anteile von gesundheitsschädlichen Stoffen im Abgas stark im Vordergrund. Bei Dieselmotoren mit direkter Einspritzung konnte gegenüber Kammermotoren mit indirekter Einspritzung zwar eine Verbesserung des Verbrauchs erzielt werden, jedoch sind bekanntlich deren Abgasemissionen ungünstiger als bei Vorkammer- oder Wirbelkammermaschinen. Es wird daher angestrebt, die günstigen Abgaswerte von Kammermaschinen und den günstigen Brennstoffverbrauch von Direkteinspritzern zu erreichen.

Motoren mit Direkteinspritzung mit bekannten Brennraummulden im Kolben zeigen im Gegensatz zu Kammermaschinen durch ihre vergleichsweise größere Öffnung des Brennraums bessere Verbrauchswerte. Die günstigen Verbrauchswerte erklären sich teilweise durch die kleineren Drosselverluste beim Oberströmen vom Nebenbrennraum in den Hauptbrennraum und die Einlaßdrallströmung, die die Brennstoffaufbereitung fördert. Es zeigt sich jedoch, daß sich je nach Einschnürung des Brcnnraumcs an der Libertrittssteüe zu hohe Bauteiltemperaturen im Bereich der Einschnürung an der Kolbenbodenkante auftreten, die nach einiger Zeit zu Wärmerissen im Kolbenboden im Bereich der Mulde führen. Solche Kolben benötigen im Kantenbereich eine besondere Armierung mit wärmebeständigem Werkstoff oder zumindest eine Eloxalbeschichtung am Kolbenboden.

Da der eingeschnürte Brennraum beim Übertritt der Brenngase in den Zylinderraum eine starke Verwirbelung hervorruft, die günstige Abgaswerte bei der CH- und NO,rEmission ergibt, andererseits aber die Kolbenkante an der Einschnürung unzulässig aufheizt, wäre es naheliegend, die Einschnürung mit weniger Hinterschnitt und größerer Öffnung auszubilden. Eine solche Ausführung bedeutet, wie sich in Versuchen gezeigt hat, zugleich weniger Verwirbelung und damit eine schlechtere Aufbereitung and Verbrennung mit entsprechend schlechteren Abgaswc/'en.

Neben diesem Problem zeigt sich, daß die bei Fahrzeugmotoren angestrebte hohe spezifische Leistung bei geringer Schadstoff-Emissinn in der Regel nur in einem engen Drehzahlbereich erzielt werden kann. Bei Verwendung als Fahrzeugmaschine mit einem weiteren Drehzahlbereich treten Änderungen deo LuftdraIJs über den weiten Drehzahibereieh auf, die wiederum die Aufbereitung und Verbrennung des Brennstoffes durch die unterschiedliche Lüftströmung beeinflussen, so daß zur Erzielung günstiger Werte über einen größeren Drehzahlbereich der Förderbeginn durch einen Spritzverteiler kontinuierlich den sich ändernden Bedingungen angepaßt werden muß.

Es ist ein Brennraum im Kolben bekannt (GB-PS 5 09 838), der eine rotationsförmige nach oben offene Mulde mit omega-förmiger Bodenform hat, deren kreiszylinderförmige Seitenwand von vier gerundeten Ausnehmungen unterbrochen wird. In die Mitte jeder Ausnehmung ist je ein Brennstoffstrahl gerichtet, der vom Luftdrall der Zylinderfüllung verweht wird. Aus der GB-PS 5 09 838 ist eine Brennkraftmaschine gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 zu entnehmen.

Die große offene Mulde läßt die Brennraumfüllung ungehindert in den Zylinderraum übertreten, ohne daß die ursprüngliche Drallströmung noch eine Störung erfährt, die Turbulenzen anregen würde. Die Aufbereitung und Luftverteilung des Kraftstoffes bleibt allein der Drallströmung überlassen, was im Hinblick auf die heute geforderten niedrigen Ernissionswene nicht mehr

ausreichend erscheint, weil die ungestörte Drallströmung allein die Feinverteilung des Kraftstoffes nicht in der notwendigen Weise erreicht Ein weiterer Nachteil ist die Einspritzrichtung in direkter Linie in die größte Ausdehnung der Ausnehmungen, die bei starker Drallströmung so verweht wird, daß sie auf die Wand neben der Ausnehmung ajiftrifft und eine unerwünschte Wandauftragung des Brennstoffes mit hohen HC-Emissionen bewirkt

Es ist ferner ein omega-förmiger Brennraum bekannt (DE-OS 29 09 419), dessen rotationsförmiger Querschnitt in einer öffnung in Vieleckform mit achsparallelen Begrenzungsflächen übergeht Ais vorzugsweise Ausführung des Vielecks wird ein Quadrat mit ausgerundeten Ecken angegeben. In diesen Brennraum wird in die Ecken des Quadrats und zwar in den Übergangsbereich der Vieleckform zur Rotationsform der Kraftstoff auf die Brennraumwand aufgespritzt.

Dabei soll sich in den Ecken der bevorzugten quadratischen Form ein Wirbel ausbilden, der zusammen mit einem Wirbel im rotationsförmigen Brennkammerbereich eine größere Turbulenz und in Verbindung mit dem gerichteten Brennstoffstrahl eine günstige Verbrennung im Sinne verringerter Emissionen ergeben. Nachteilig ist hierbei, daß die erwünschte Luftströmung durch die bekannte Quetschströmung, die sich nahe der oberen Totpunktlage des Kolbens einstellt angefacht werden soll, die sicherlich geringer ist als bekannte aufgezwungene Drallströmungen im Zylinder, bei denen sich leichter durch Strömungswiderstände Turbulenzen zur besseren Brennstoffaufbereitung erzeugen lassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch die besondere Gestaltung des Brennraums der Drallströmung eine Turbulenz zu überlagern, die die Abgasemission senkt und die Bauteiltemperatur des Kolbens unter der zulässigen Höchsttemperatur hält, ohne daß der Brennstoffverbrauch und die Geräuschemission ansteigt wobei diese günstigen Betriebsergebnisse über den ganzer· Drehzahlbereich bei möglichst gleicher Förderbeginneinstellung erreicht werden sollen.

Dieses wird bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art durch die Kombination folgender Einzelmerkmale erreicht: die Brennraumöffnung ist etwa bis zum 0,8fachen der Brennraumgröße eingeschnürt und die radiale Erstreckung der Ausnehmungen reicht etwa bis zum größten Brennraumdurchmesser und je ein Brennstoffstrahl der Einspritzdüse ist in Drallrichtung aufwärts etwas außerhalb der Mitte einer jeden Ausnehmung zur äußeren Brennraum-Begrenzungswand hin gerichtet wobei die Brennraumgröße etwa dem 0,55fachen des Kolbendurchmessers entspricht und die Tiefe von der Kolbenbodenfläche gemessen etwa di:m 0,4fachen des Brennraumdurchmessers entspricht und der eingeschnürte Übergang vom omega-förmigen Querschnitt zur Kolbenbodenfläche eine zylindrische Grundform hat, die etwa das 03fache der Brennraumtiefe einnimmt und deren mit der Kolbenbodenfläche gebildete Kante unter 45° bis zu einem Drittel der zylindrischen Höhe abgeschrägt ist en

Durch die Ausnehmungen haben die Einspritzstrahlen genügend Raum vom Luftdrall verweht und damit in günstiger Weise für die Verbrennung aufbereitet zu werden. Die radiale Erstreckung der Ausnehmungen verhindert ein Auftrsffen von Brennstofftröpfchen auf „■·, die Brennraumwand, was bekanntlich zur erhöhten CH-Emission führt. Der zugleich etwas außerhalb der Mitte der Ausnehmungen gerichtete Einspritzstrahl wird durch die abgestimmte Drallströmung so verweht daß der Fächer des Einspritzstrahles sich ziemlich genau in den dargebotenen Raum der Ausnehmung einfügt

Gegenüber einem kreisförmigen Muldenrand ergeben die Ausnehmungen eine zusätzliche Verwirbelung der bestehenden Drallströmung, die eine besondere gute Mischung von Brennstoff und Luft bewirkt und eine Verbrennung mit niedrigen Abgasemissionen ergibt Die damit erreichte bessere Luftausnutzung ergibt zugleich eine höhere Leistung. Der einer kreisrunden Öffnung gegenüber größere Öffnungsquerschnitt zum Hauptbrennraum ergibt trotz der Verwirbelung weniger Aufheizung des Muldenrandes und damit eine geringere Bauteiltemperatur, so daß auf einen besonderen Wärmeschutz oder eine Eloxalschicht am Kolbenboden verzichtet werden kann.

Mit den gefundenen Maßverhäitnissen des Brennraums ergibt sich eine Abstimmung, bei der die Abgas- und Gerzi^chemission wegen des kleineren Zündverzuges sehr günstige Ergebnisse zeige· ■ *ind darüber hinaus ein später Förderbeginn über den Drehzahlbereich nahezu konstant gehalten werden kann. Damit kann auf den sonst notwendigen Spritzversteller verzichtet werden.

Bei ?ylinderköpfen mit zwei Ventilen je Zylinder, die bei schnellaufenden Fahrzeugreihenmaschinen die Regel sind, wird nach einem weiteren Gedanken vorgeschlagen, daß die Ausnehmungen in der Draufsicht auf den Kolbenboden gesehen, so angeordnet sind, daß die Senkrechte auf die Kolbenbolzenachse durch die Düsenmitte den Winkel zwischen zwei Düsenstrahlen, die zum Brennraumumfang die kürzesten sind, halbiert und die Mitte einer jeden Ausnehmung dem gerade verlängerten Düsenstrahl um etwa 10° in Drallrichtung vorauseilt.

Bei z. B. vier Einspritzstrahlen ergibt sich damit eine günstige Verteilung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge in den Brennraum, die eine ausreichend gute Durchmischung mit der wirbelnden Luft bewirkt. Die ausgewählte Lage der vier Ausnehmungen ermöglicht es, die zugehörigen Einspritzstrahlen bei der aus baulichen Gründen außerhalb der Zylindermitte angeordneten Einspritzdüse annähernd gleich lang zu halten, so daß sich für jeden Strahl weitgehend gleiche Bedingungen für die Aufbereitung und Verbrennung des Brennstoffes ergeben. Zugleich wird ein Aufspritzen des Brennstoffes auf die Wand vermieden, was bei ungleich langen Strahlen für die kürzeren Strahlen fast unvermeidlich wäre.

Nach einem weiteren Gedanken wird vorgeschlagen, daß eine Zündhilfe in eine Ausnehmung des Brennraumes hineinragt. Damit ist es möglich, je nach Verv eiidung des Brennstoffs und der Umgebungstemperatur, die Zündung durch Fremdzündung zu begünstigen bzw. einzuleiten.

In den Zeichnungen ist ein Ausruhrungsbeispid schematisch dargestellt.

In A b b. 1 ist ein Kolben teilweise im Längsschnitt quer zur Bolzenacnse dargestellt.

In A b b. 2 ist der Kolben nach A b b. 1 in der Draufsicht auf den Kolbenboden dargestellt

In A b b. 1 ist ein Kolben 1 einer Brennkraftmaschine vom Durchmesser »Z>< im Längsmittelschnitt durch den Brennraum 2 dargestellt Der Brennraum 2 mit dem Durchmesser »d« ist omegaförmig und an seiner oberen Öffnung zum nichtdargestellten Zylinderraum eingeschnürt Die Einschnürung 3 mit dem Durchmesser »οΌ« hat eine zylindrische Grundform und nimmt von der

Gesamttiefe »Γ« des Brennraumes knapp das obere Drittel »f« ein. Die Tiefe ist in der Zeichnung von kugelförmig gewölbten Kolbenboden, dessen Scheitelpunkt durch die Brennraumöffnung praktisch nicht mehr vorhanden ist, angegeben. Bei geradem Kolbenboden gilt die Tiefe von der Bodenfiäche. Da im vorliegenden Beispiel der Scheitelpunkt der flachen Wölbung nicht nennenswert über die Oberkante des Kolbens, wie sie durch den Muldenrand gegeben ist, hinausragt, können die Unterschiede bei den Tiefenangaben vernachlässigt werden. Die zylindrische Grund form der Einschnürung 3 ist von Ausnehmungen 4. die auf dein I 'mfang gleichmäßig verteilt sind, unterbrochen. Die Unterbrechung der Wmfangskontur durch die Ausnehmungen 4 ergibt etwa gleichlange Abschnitte für die Ausnehmungen 4 und die /wischen den Ausnehmungen 4 liegenden zylindrischen Umfangsbereiche.

In A b b. 2 ist der in A b b. I gezeigte Kolben 1 mn Blickrichtung auf den Kolbenboden dargestellt. Die

mit 6 bezeichnet. Vom Mittelpunkt 6 weicht der Mittelpunkt 7 des Brennraumes 2 geringfügig in Richtung zur ebenfalls eingezeichneten Einspritzdüsen mitte 8 der nicht dargestellten Einspritzdüse ab. Die außermittige Lage der Einspritzdüse ist aus baulichen Cjründen bedingt, weil das Ein- und Auslaßventil 9, 10 meist nahe der Zylindermitte 5 angeordnet ist. um größte Querschnitte zu verwirklichen; dadurch muß die Einspritzdüse aus Platzgründen etwas außerhalb der Mitte 6 arseordnc άerden. Die Lage der Ventile ist durch die strichpunktiert eingezeichneten Kreise 9, IO angedeutet. Die Anordnung der Brennraummitte 7 zwischen der Kolbenmitte 6 und der Einspritzdüsenmitte 8 stellt einen Kompromiß dar, der einerseits auf möglichst gleichlange Einspritzstrahlen 11 abzielt und andererseits aus Gründen günstiger Drailstromung zur Zylindermiite 6 hin angeordnet werden sollte. Die Richtung der Drallströmung ist durch den Pfeil 12 gekennzeichnet. Die Lage der Einspritzstrahlen ti ist innerhalb jeder Ausnehmung 4 etwa 10' neben der Mitte der Ausnehmung 4 angeordnet, wobei in Ahslimmunp mit der Drallströmung eine Verwehung des Einspnt/strahlci Il nach der angedeuteten Linie 13 eintritt. Damn paßt sich der abgewehte F-'in^prit/fächer oder kegel der vorhandenen Ausnehmung 4 an.

Damit bei der Wahl mehrerer Einspni/strahleri Il eine möglichst gleiche .Strahllange erreicht wird, sollten zwei benachbarte Strahlen etwa den gleichen Winkel mit der Senkrechten durch die Düsenmitte 8 auf die

I .age eines Düsenstrahls auf oder nahe der Senkrechten vermieden, der ja unerwünscht kurz würde. Die erfindungsgemäße Mittelage zweier benachbarter Einspritzstrahlen Il ist durch die gleichgroßen Winkel 15 angedeutet.

Zur Erzielung möglichst günstiger Startbedingungen kann eine Glüh- oder Zündkerze 16 verwendet werden, die in einer Ausnehmung 4 angeordnet ist. wo sie die Drallstp'/Mung wenig beeinträchtigt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Luftverdichtende Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Luftdrali der in den Zylinder einströmenden Verbrennungsluft und mehrstrahliger luftverteilter Brennstoffeinspritzung in einen Brennraum im Kolben von rotationskörperförmigem, omega-förmigem Querschnitt, dessen kreisrunde Außenform von mehreren Ausnehmungen unterbrochen wird, ι ο die eine rosettenförmige Außenkontur ergeben, deren Ausnehmungen jeweils einen etwa gleichlangen Abschnitt einnehmen wie die zwischen zwei Ausnehmungen liegende Umfangslänge, wobei je ein Brennstoffstrahl in Richtung der größten Erstreckung der Ausnehmung gerichtet ist,
gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

die Brennraumöffnung ist etwa bis zum 0,8fachen der Brenn: aumgröße eingeschnürt und die radiale Erstreckung der Ausnehmungen reicht etwa bis zum größten Brennraumdurchmesser und je ein Brennstoffstrahl der Einspritzdüse ist in Drallrichtur.g aufwärts etwas außerhalb der Mitte einer jeden Ausnehmung zur äußeren Brennraum-Begrenzungswand hin gerichtet, wobei die Brennraumgröße (d) etwa dem 0,55fachen des Kolbendurchmessers (D) entspricht und die Tiefe (T) von der Kolbenbodenfläche gemessen etwa dem 0,4fachen des Brennraumdurchmessers entspricht und der eingeschnürte Übergang vom omega-förmigen Querschnitt zur Kolbenbodenfläche eine zylinderische Grundform hat. die etv/a das 0,3lache oxr Brennraumtiefe (T) einnimmt und deren niit der Kolbenbodenfläche gebildete Kante unter 45° bis i.j einem Drittel der zylindrischen Höhe abgeschrägt ist.

2. Brennkraftmaschine in Reihenbauweise nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (4) in der Draufsicht auf den Kolbenboden gesehen so angeordnet sind, daß die Senkrechte (14) auf die Kolbenbolzenachse (5) durch die Einspritzdüsenmitte (8) den Winkel zwischen zwei Düsenstrahlen (11), die zum Brennraumumfang die kürzesten sind, halbiert und die Mitte einer jeden Ausnehmung dem gerade verlängerten Düsenstrahl (11) um etwa 10° in Drallrichtung vorauseilt.

3. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zündhilfe (16) in eine Ausnehmung (4) des Brennraumes (2) hineinragt. >o