DE3008124A1

DE3008124A1 - Hubkolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3008124A1
Application number: DE19803008124
Authority: DE
Inventors: Konrad Dipl.-Ing. Dr. 7000 Stuttgart Eckert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1980-03-03
Filing date: 1980-03-03
Publication date: 1981-09-10
Also published as: US4366789A; FR2477223A1; FR2477223B3; JPS56135714A

Description

R. ⁶ ί 1 9

25.2.1980 Bö/Ba

ROBERT BOSCH GMBH₅ 7000 STUTTGART 1

Hubkolbenbrennkraftmaschine

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Hubkolbenbrennkraftmaschine nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei einer solchen, durch die DE-OS 27 57 648 bekannten Brennkraftmaschine wird eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses bei klopffreiem Betrieb zur Verbesserung des Wirkungsgrades angestrebt. Dabei wird durch Schichtung der Ladung ein Betrieb der Brennkraftmaschine mit möglichst kraftstoffarmen Betriebsgemisch möglich gemacht. Die Schichtung wird insbesondere durch Einspritzung von Kraftstoff in den Teilbrennraum der Brennkraftmaschine von einem Punkt aus, der im Saugrohr liegt, und zu einem Zeitpunkt, der am Ende der Öffnungsphase des Einlaßventils liegt, möglich gemacht. Eine Unterstützung der Schichtung erfolgt dabei durch drallbildende Mittel im Saugrohr, wodurch die eingebrachte Ladung in Rotation gebracht wird und zusätzlich auch durch eine leichte Einschnürung des Verbindungsquerschnitts des Teilbrennraums zum restlichen Brennraum.

Die drallbildenden Mittel haben jedoch den Nachteil, daß sie eine den Füllungsgrad vermindernde Drosselung der Ansaugluft

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bewirken und daß nach der Entflammung der Ladung während des Expansionstaktes Verluste beim überschieben der Ladung in den sich an der Stelle des ausweichenden Kolbens bildenden Hubraum auftreten. Dadurch wird die spezifische Leistung der Brennkraftmaschine vermindert.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Hubkolbenbrennkraftmaschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß mit Hilfe einer gerichteten Quetschströmung die Drallbildung im Teilbrennraum wesentlich gefördert wird, wobei ein stärkerer Drall erzielbar ist, als beim durch Saugrohreinbauten gebildeten Drall, dessen Erzeugung sich negativ auf den Füllungsgrad der Brennkraftmaschine auswirkt.

Es läßt sich somit in Verbindung mit der besonderen Art der Kraftstoffzufuhr eine bessere Schichtung bei steigender Turbulenz erzielen, wodurch wiederum der Wirkungsgrad bzw. der Verbrauch verbessert wird. Die hohe Turbulenz bringt eine Steigerung der Durchbrenngeschwindigkeit, was es wiederum möglich macht, bei klopffreiem Betrieb das Verdichtungsverhältnis zu erhöhen oder auch zur EmissionsSenkung vermehrt Abgas dem Betriebsgemisch beizufügen.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Teil des Zylinderkopfes und des Zylinders einer Brennkraftmaschine, Fig. 2 die Draufsicht auf den Kolbenboden des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1, Fig. 3 eine Draufsicht auf den Zylinderkopf von der Kolbenbodenseite aus bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 4 einen ersten Teilschnitt I - I durch den Zylinderkopf gemäß Ausführungs-

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beispiel nach Pig. 3, Pig. 5 einen zweiten TeilsCHnXtX⁰TI^-^ II durch den Zylinderkopf gemäß Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 und Fig. 6 einen dritten Teilschnitt III - III durch den Zylinderkopf des Ausführungsbeispiels nach Fig. 3·

Beschreibung

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist ein Teil eines Zylinderkopfes 1 im Schnitt gezeigt, der durch die Achse der sich anschließenden Zylinderbohrung 3j durch die Achse des Einlaßventils und durch die Achse eines der Auslaßventile geht. Zwischen dem Kolben, der sich im gezeigten Beispiel in seiner oberen Totpunktlage befindet, und dem Zylinderkopf wird das Kompressionsendvolumen des Brennraums eingeschlossen. Der Kolbenboden 6 ist im wesentlichen eben und schließt im Zylinderkopf in seiner oberen Totpunktlage einen scheibenförmigen Teilbrennraum 7 ein, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel etwa kreisförmig ist und nahezu das gesamte Kompressionsendvolumen des Brennraum darstellt. Auf der einen Seite ist dieser Teilbrennraum durch den genannten Kolbenbolzen 6 begrenzt und auf der gegenüberliegenden Seite durch den Ventilteller 9 eines einzigen Einlaßventils 10. Außer dem Einlaßventil 10 sind bei diesem Ausführungsbeispiel, wie auch Fig. 2 entnehmbar ist, zwei Auslaßventile 12 vorgesehen. Zum Einlaßventil führt in üblicher Ausgestaltung ein Saugkanal 15, über den der Brennkraftmaschine die Frischluft zugeführt wird, über einen Auslaßkanal 14 werden die Abgase, gesteuert durch die Auslaßventile 12 abgeführt. Der Saugkanal 15 ist so ausgebildet, daß die zuströmende Luft einen Drall erhält, derart, daß in dem Teilbrennraum ein Wirbel entsteht, der sich um die Achse des Teilbrennraums dreht. Die drallbildenden Mittel des Ansaugkanals können dabei in bekannter Art ausgeführt werden und sind hier nicht näher gezeigt. Z. B. können Leitflächen l6 vorgesehen werden oder es kann der Kanal schneckenförmig ausgebildet sein.

Zur Unterstützung der Bildung eines Wirbels im Teilbrennraum 7 ist ferner das Einlaßventil exzentrisch zur Achse

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des Teilbrennraums angeordnet. Der Durchmesser des Einlaßventils ist im Verhältnis zum Durchmesser des Teilbrennraums so gewählt, daß der in Öffnungsstellung des Ventils entstehende Ringspalt 18 so groß ist, daß keine zu große Drosselung der angesaugten Luft auftritt.

Unmittelbar stromaufwärts des Ventiltellers 9 ragt eine Einspritzdüse 20 in den Saugkanal, die so ausgerichtet ist, daß der abgespritzte Kraftstoff bei geöffnetem Einlaßventil ,10 ungehindert durch den Ringspalt 18 direkt in den Teilbrennraum 7 gelangt. Die Einspritzdüse kann dabei als Mehrlocheinspritzdüse ausgebildet sein. Vorteilhafterweise ist aber eine Kegelstrahlspritzdüse anwendbar, die eine schnelle und gute Aufbereitung des eingespritzten Kraftstoffs garantiert.

Zur Unterstützung der Wirbelbildung im Teilbi>ennraum 7 ist erfindungsgemäß zusätzlich im Kolbenboden ein Gasführungskanal 22 eingearbeitet, der im Bereich gegenüber eines der Auslaßventile 12 beginnend und dem Umfang des Kolbens folgend in den Bereich des Teilbrennraums 7 führt. Dabei verringert sich kontinuierlich die Breite des Kanals, während seine Tiefe zunimmt. Der Querschnitt des Kanals ändert sich somit von einer sehr schmalen, langgestreckten Form zu einer nahezu quadratischen, runden oder trapezförmigen Form beim Eintritt in den Teilbrennraum 7. Dort wird der Kanal in Richtung der gewollten Wirbelströmungsrichtung noch ein Stück weiter geführt und läuft dann flach aus. Der Gasführungskanal 22 hat die Aufgabe, die beim Kompressionshub des Kolbens auftretende Quetschströmung aufzunehmen und geführt und gebündelt in den Teilbrennraum 7 einzuleiten. Er unterstützt die drallbildende Wirkung der Saugrohrausgestaltung und der exzentrischen Lage des Einlaßventils 10.

Die erfindungsgemäße Lösung arbeitet in folgender Weise: nach Beendigung des Ausschubtaktes der hier nach dem Viertaktverfahren und mit Fremdzündung arbeitenden Brennkraftmaschine

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wird über den Saugkanal 15 während der Abwärtsbewegung des Kolbens H bei geöffnetem Einlaßventil Frischluft in einer Weise angesaugt, daß in dem Teilbrennraum 7 eine ausgeprägte gerichtete Wirbelströmung um die Mitte des scheibenförmigen Teilbrennraums auftritt. Gegen Ende des Ansaugtaktes erfolgt gesteuert die Einspritzung des zuzumessenden Kraftstoffes durch das Einspritzventil 20 in der obenbeschriebenen Weise. Länge und Winkel des bzw. der Einspritzstrahlen sind dabei so bemessen, daß eine möglichst geringe Brennraumwandbenetzung auftritt. Dies ist insofern leicht erreichbar, als die Kraftstoff-Einspritzstrahlen direkt in den sich in seiner Gestalt nicht mehr wesentlich ändernden Brennraum gerichtet sind, im Gegensatz zu anderen bekannten Verfahren, wo sich der Brennraum z. B. im Kolben befindet.

Der Zeitabschnitt, während dem eingespritzt wird, liegt möglichst nahe vor dem Schließen des Einlaßventils, um somit zu verhindern, daß der Kraftstoff weit in den Zylinderraum, der zu diesem Zeitpunkt noch um das Hubvolumen vergrößert ist, getragen wird. Während des anschließenden Kompressionshubs verbleibt die kurz zuvor eingespritzte Kraftstoffmenge innerhalb des Teilbrennraumes und hat dabei die Möglichkeit, sich in dem rotierenden Luftwirbel über dem Umfang gleichmäßig zu verteilen, so daß ein aufbereitetes, gut zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch entsteht.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Gasführungskanals wird die Drallbildung im Teilbrennraum 7 wesentlich verstärkt, so daß u. U. auf drallbildende Mittel im Saugrohr verzichtet werden kann. Diese drallbildenden Mittel im Saugrohr sind von weit geringerem Einfluß auf die Stärke des am Ende des Kompressionshubs entstehenden Dralls und haben andererseits den Nachteil, daß durch sie die angesaugte Luft gedrosselt wird und damit eine schlechtere Füllung des Brennraums auftritt.

Andererseits bewirkt die starke Drallbewegung eine wesentliche Verbesserung der Zünd- und Durchbrennwilligkeit eines relativ mageren Kraftstoff-Luft-Gemisches. Gleichzeitig werden die

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Bedingungen zur Bildung und Erhaltung einer Schichtung von einerseits kraftstoffreichen, zündfähigem Gemisch im Bereich der Zündstelle und andererseits kraftstoffarmen Gemisch bzw. reiner Luftfüllung verbessert. Die Zündstelle kann in Form einer Zündkerze 23 z. B. in der dem Einlaßventil nahen Seitenwand des Teilbrennraums angeordnet sein. Der Verlauf des Gasführungskanals, der im Bereich eines der Auslaßventile beginnt, hat weiterhin den Vorteil, daß die zwischen dem Kolbenboder und dem auslaßventilseitigen Teil des Zylinderkopfes entstehende Quetschströmung über das heiße Auslaßventil geleitet wird, wodurch sich die Luftströmung stärker als sonst erwärmt. Damit wird die Zündfähigkeit der Ladung verbessert. Die Veränderung des Gasführungskanalquerschnitts von einer flachen gestreckten Form zu einer nahezu quadratischen Form beim Eintritt in die Teilbrennkammer führt zu einer starken Bündelung der Luftströmung mit hohem Energieinhalt, der der Drallbildung zugute kommt.

Im gezeigten Beispiel ist der Gasführungskanal im Kolbenboden eingelassen. Es ist ^ jedoch möglich, auch im Zylinderkopf einen Gasführungskanal 25', wie in Fig. 3 gezeigt, vorzusehen. Fig. zeigt dabei einen Blick auf den Zylinderkopf vom Kolbenboden aus gesehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist nur ein Auslaßventil 12' vorgesehen. Neben diesem beginnt der Gasführungskanal 22' mit einem langgestreckten flachen Querschnitt. Der Gasführungskanal folgt dem Umfangskreis des Kolbens und führt mit zunehmender Verringerung seiner Breite und zunehmender Vergrößerung seiner Tiefe tangential in den Teilbrennraum 14'. Dieser hat grob gesehen die Form eines Ovals, zu dem exzentrisch das Einlaßventil 10' angeordnet ist. Die Flächenvergrößerung hat den Vorteil, daß bei geöffnetem Einlaßventil die angesaugte Luftmenge unter geringeren Überströmverlusten in den Brennraum gelangen kann. Die exzentrische Lage des Einlaßventils bewirkt wiederum die Ausbildung eines Dralls, der durch die Luftströmung im Gasführungskanal 22' in gleicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel unterstützt wird. Entsprechend dem größeren Querschnitt des Teilbrennraums 14' ist die Höhe des Teilbrennraums

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vermindert, was der Pig. 4 entnehmbar ist. Diese stellt einen Schnitt durch den Zylinderkopf entlang der Linie I - I · dar. Es ist daraus die nahezu quadratische Form des Gasführungskanals 22' beim Einmünden in den Teilbrennraum 14' entnehmbar *

Die Schnitte III - III und II - H₅ die in Fig. 5 bzw. 6 dargestellt sind, zeigen, wie sich der Gasführungskanal 22' um seinen Ausgangspunkt neben dem Auslaßventil 12' hin allmählich verflacht.

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel treten die beim vorstehenden Beispiel erwähnten Vorteile auf. Durch die Verflachung des Teilbrennraums ist es weiterhin möglich, die Stärke des entstehenden Wirbels zu erhöhen und die Ansaugverluste geringer zu halten. Hier können z. B. die drallbildenden Mittel des Ansaugkanals entfallen wegen der.stark ausgebildeten Quetschströmung.

Die zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Lösungen ermöglichen es, eine Brennkraftmaschine bei gutem Wirkungsgrad mit einem stark abgemagerten Kraftstoff-Luft-Gemisch zu betreiben, wobei die Grenze des Verdichtungsverhältnisses, bei der ein klopffreier Betrieb noch möglich ist _t heraufgesetzt werden kann. Zur Einhaltung der Abgasvorsehriften sind ferner alle Möglichkeiten geboten, die Abgaszusammensetzung noch weiter zu verbessern. Insbesondere erlaubt es die hohe Durchbrenngeschwindigkeit bei dieser Ausgestaltung vermehrt Abgas rückzuführen, wodurch insbesondere die NO -Emission vermindert werden kann. Hohe Abgasrückführraten können ferner dazu verwendet werden, die Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine statt durch Drosselung der angesaugten Luft durch Ersetzen eines Teils der Füllung mit rückgeführtem Abgas zu steuern.

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Claims

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ROBERT BOSCH GMBH, 7000 STUTTGART 1

Ansprüche

Hubkolbenbrennkraftmaschine mit wenigstens einem Kolben, der eine im wesentlichen ebene Oberfläche aufweist und im oberen Totpunkt die eine Begrenzungsfläche eines etwa scheibenförmigen, im Zylinderkopf angeordneten Teilbrennraumes bildet, der den überwiegenden Volumenteil des Kompressxonsendvolumens hat und auf der dem Kolbenboden gegenüberliegenden Seite durch den Ventilteller des Einlaßventils begrenzt ist und mit einem Saugkanal, in dem eine zum Ventilteller des Einlaßventils gerichtete Kraftstoffeinspritzdüse so angeordnet ist, daß der austretende Kraftstoff nahezu frei durch den Ringspalt am ge-"öffneten Einlaßventil'hindurch in den Teilbrennraum gespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Boden des Kolbens (4) und dem Zylinderkopf (1) ein Gasführungskanal (22., 22') vorgesehen ist, der etwa tangential in den Teilbrennraum (7_S 7') mündet, und einen Querschnitt aufweist, der sich allmählich von

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einer flach sich in zum Kolbenboden paralleler Richtung erstreckenden Form beim Eintritt in den Teilbrennraum zu einer kompakten₃ einen Gastrahl bündelnden Form ändert.

2. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet j daß der Gasführungskanal (22) im Kolbenboden eingelassen ist.

3· Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Gasführungskanal mit dem flachen Querschnitt im Bereich des Auslaßventils (l2, 12') beginnt.

4. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet j daß der Gasführungskanal (22., 22') etwa halbkreisförmig verläuft.

5. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß sich der Gasführungskanal noch in einen Teil des Brennraums erstreckt und dort sich der Form' der Begrenzungswand des Teilbrennraums anpassend ausläuft.

6. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche_s dadurch gekennzeichnet^ daß das Ende der Einspritzdauer der Kraftstoffeinspritzdüse unmittelbar vor dem Schließen des Einlaßventils (10) liegt.

7. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorstehenden

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Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung der Ansaugluft in den Brennraum so ausgebildet ist, daß die in den Brennraum einströmende Luft einen Drall bekommt.

8. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffeinspritzdüse. (20) als Kegelstr.ahldüse ausgebildet ist.

9. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilteller (9) des Einlaßventils (10) exzentrisch zur Mittelachse des Teilbrennraums (7) angeordnet ist.

10. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslaßventil (12, 12') der Teilbrennraum (7, 7^!) und der Gasführungskanal (22, 22') ' innerhalb der achsparallelen Projektion des Kolbenquerschnitts liegt.

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