DE3045592C2 - Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

55

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Eine solche Brennkraftmaschine gehört zum Stand der Technik aufgrund der nachveröffentlichten DE-OS 50 753. Bei dieser zum Stand der Technik gehörenden Brennkraftmaschine ist außer der Kante am Übergang zwischen dem ebenen Abschnitt der Kolbenstirnfläche und der Kolbenausnehmung auch eine Kante zwischen dem ebenen Abschnitt der Unterseite des Zylinderkopfes und der Zylinderkopfhöhlung ausgebildet. Diese beiden Kanten sorgen für eine saubere Ablösung der aus dem Quetschbereich austretenden Quetschströmung, die im wesentlichen senkrecht zur Zylinderachse erfolgt, weswegen der Elektrodenspalt dem Quetschbereich diametral gegenüber angeordnet ist, damit die Quetschströmung auf die Zündkerzenelektroden trifft

Ferner ist eine Brennkraftmaschine bekannt (»Technische Rundschau« vom 14. März 1958, Seiten 1 bis 23, insbesondere Seite 7, Bild 23), die sich von der Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 dadurch unterscheidet daß die Kolbenausnehmung und die Zylinderkopfhöhl·, :ng keine im wesentlichen übereinstimmenden Umrisse haben und nicht axial miteinander fluchten und daß die die Kante bildende Wand der Kolbenausnehmung nicht im wesentlichen senkrecht zum ebenen Abschnitt der Kolbenstirnfläche verläuft

Sowohl bei der bekannten Brennkraftmaschine als auch bei der zum nachveröffentlichten Stand der Technik gehörenden Brennkraftmaschine wird die Quetschströmung erzeugt um die Turbulenz im Brennraum zu erhöhen. Dies führt zu einer verbesserten Zündbarkeit und einer höheren Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flammenfront im Brennraum, was wiederum einen stabileren Betrieb der Brennkraftmaschine, die Verwendung magerer Gemische und hohe Verdichtungsverhältnisse ermöglicht Dies wiederum ist günstig im Hinblick auf die Abgasreinhaltung und die Kraftstoffausnutzung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte Brennkraftmaschine hinsichtlich des Betriebes mit mageren Gemischen und hohem Verdichtungsverhältnis weiter zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Brennkraftmaschine gelöst

Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die Quetschströmung aus dem Quetschbereich in die Zylinderkopfhöhlung hineingeleitet bzw. -gezogen, so daß sie einerseits auf die gegenüberliegende zweite Oberfläche gerichtet ist, in der sich die Zündkerzenelektroden befinden, und andererseits verhältnismäßig dicht am Auslaßventil vorbeiströmt, so daß sie dieses kühlt, wodurch der Gefahr der Selbstzündung und des Klopfens vorgebeugt ist.

In vorteilhafter Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Fläche des ebenen Abschnitts der Unterseite des Zylinderkopfes und somit die Fläche des Quetschbereiches zwischen etwa 20% und etwa 33% der Querschnittsfläche der Zylinderbohrung beträgt. Auf diese Weise kann eine hinreichende Quetschströmung erzeugt werden. Eine Quetschfläche von 6% weist die bekannte Brennkraftmaschine auf. Darüber hinaus skid auch Quetschflächen im Bereich von 15% bis 35% bekannt (»Technische Rundschau« vom 14. März 1958, Seiten 7 und 8).

Ferner kann in vorteilhafter Ausbildung der Erfindung vorgesehen sein, daß das Volumen der Kolbenausnehmung gleich oder größer als 20% des Verdichtungsraumesi ist. Dadurch kann das Verdichtungsverhältnis auf einen geeigneten Wert festgelegt werden, ohne daß die Oberflächen der Zylinderkopfhöhlung zu steil zu verlaufen brauchen.

Nachstehend wird anhand schematischer Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

F i g;. 1 einen Vertikalschnitt entlang der Achse einer Zylinderbohrung einer Brennkraftmaschine, wobei nur diejenigen Teile der Brennkraftmaschine gezeigt sind, welche für das Verständnis der vorliegenden Erfindung

wesentlich sind und wobei insbesondere der Betriebszustand gezeigt ist, in dem sich ein Kolben in seinem oberen Totpunkt in der Zylinderbohrung befindet und mit der Unterseite eines am oberen Ende der Zylinderbohrung montierten Zylinderkopfes einen Quetschbereich bildet, und

Fig.2 eine Draufsicht auf die Unterseite des Zylinderkopfes der Brennkraftmaschine gemäß Fig. 1, wobei die Ebene des Zeichenpapiers senkrecht auf der Mittelachse der Zylinderbohrung steht; Fig. 1 stellt damit einen aufgebrochenen Schnitt entlang der Linie Γ-Ι in F ig. 2 dar.

F i g. I zeigt einen Schnitt durch eine in einem Zylinderblock 1 ausgebildete Zylinderbohrung 2 einer Brennkraftmaschine. In der Figur am oberen Ende der Zylinderbohrung 2 ist ein Zylinderkopf 4 befestigt, wobei zwischen dem Zylinderblock und dem Zylinderkopf aus Gründen der Abdichtung eine Zylinderkopfdichtung 3 eingelegt ist Die Unterseite des Zylinderkopfes 4 ist, wie man am besten aus der F i g. 2 ersehen kann, die eine Ansicht des Bodens des Zylinderkopfes 4 von unten zeigt, mit einer keilförmigen Zylinderkopfhöhlung 5 versehen. Wie man aus den Figuren ersehen kann, verläuft eine erste, die Zylinderkopfhöhlung 5 definierende Oberfläche 5a mit einem relativ gemäßigten oder sanften Anstieg im Winkel zu einer zur Achse der Zylinderbohrung 2 senkrechten Ebene, während auf der anderen Seite eine zweite, die Zylinderkopfhöhlung 5 definierende Oberfläche 5b unter einem relativ großen Winkel zu einer derartigen Ebene verläuft, die senkrecht auf der Achse der Zylinderbohrung 2 steht. Im Bereich der ersten Oberfläche 5a mit gemäßigtem bzw. sanftem Anstieg münden ein Einlaßkanal 6 und ein Auslaßkanal 7; das Öffnen und das Schließen dieser Kanäle wird jeweils durch ein Einlaßventil 8 und ein Auslaßventil 9 gesteuert, welche innerhalb des Zylinderkopfes 4 auf eine an sich bekannte Weise gleitend verschiebbar montiert sind. Im Bereich der zweiten, relativ steil geneigten, die Zylinderkopfhöhlung 5 definierenden Oberfläche 5b mündet eine Zündkerzen-Gewindebohrung 11, in die eine Zündkerze 12 mit herkömmlichem Aufbau eingepaßt bzw. eingeschraubt ist. die einen Zündabschnitt bzw. einen zwischen den Zündelektroden ausgebildeten Elektrodenspalt an ihrem vorderen Endabschnitt besitzt, der in die Zylinderkopfhöhlung 5 hineinragt.

Auf der — gemäß den F i g. 1 und 2 — linken Seite der Zylinderkopfhöhlung 5 ist auf der Grundfläche des Zylinderkopfes 4 ein ebener, zur Erzeugung eines Quetscheffektes dienender Abschnitt 10 ausgebildet, vi welcher in einer Ebene liegt, die im wesentlichen senkrecht auf der Mittelachse der Zylinderbohrung 2 steht; dieser Abschnitt 10 wird auf einer Seite durch den Umfangsabschnitt des Teilbereiches des Zylinderkopfes 4 definiert, welcher an das Innere der Zylinderbohrung 2 5S angrenzt, und er <-ird auf seiner anderen Seite durch die Linie definiert bzw. begrenzt, bei der die relativ gemäßigt geneigt und ansteigend verlaufende Oberfläche 5a der Zylinderkopfhöhlung 5 beginnt. In der gezeigten Ausführungsform beträgt die Fläche des bo ebenen Abschnitts 10 zwischen 20% und 33% der gesamten, im rechten Winkel geschnittenen Querschnittsfläche der Zylinderbohrung 2; dieser Prozentsatz ist zur Sicherstellung des besten Betriebes der Brennkraftmaschine zu bevorzugen. Ferner beträgt der b^r> zwischen der relativ gemäßigt geneigten und ansteigenden, die Zylinderkcpfhöhlung 5 begrenzenden erstell Oberfläche 5a und der Ebene des ebenen Abschnitts 10 eingeschlossene Winkel zwischen 160° und 165°.

Auf der Unterseite des Zylinderkopfes 4 ist im wesentlichen keine weitere Quetschungs-Erzeugungsfläche bzw. kein weiterer Quetschungs-Erzeugungsbereich vorgesehen. Wie man aus F i g. 2 erkennt, ist in der gezeigten Ausführungsform ein sehr kleiner Abschnitt der Unterseite des Zylinderkopfes 4 auf der rechten Seite der relativ steil geneigten zweiten Oberfläche 5b der Zylinderkopfhöhlung 5 als Quetschbereich ausgebildet Dieser Abschnitt ist jedoch so klein, daß durch ihn kein wesentlicher Quetscheffekt hervorgerufen wird. Dies ist für die Funktion der Brennkraftmaschine wesentlich; für den Fall, daß neben dem Quetschungs-Erzeugungsbereich am Abschnitt 10 auf der Seite der ersten Oberfläche 5a andere wirksame Quetschungs-Erzeugungsbereiche vorgesehen wären, würden die in diesen Bereichen induzierten Quetschströmungen die vorteilhaften Effekte beeinträchtigen, die sich durch die Quetschströmung ergeben, welche durch den Abschnitt 10 hervorgerufen wird. Es ist ferner zweckmäßig, wenn der Abschnitt 10 im wesentlichen symmetrisch zu einer Ebene angeordnet ist, welche die . undkerzen-Gewindebohrung 11 und die Mittelachse der r.yiinderbohrung 2 enthält, um einen guten Quetscheffekt für das gequetschte Luft/Brennstoff-Gemisch sicherzustellen, welches aus dem Quetschbereich herausgequetscht bzw. herauf -gespritzt« wird.

In die Zylinderbohrung 2 ist ein Kolben 13 gleitend eingepaßt, welcher in der Zylinderbohrung durch zwei Kolbenringe 14 und 15 und durch einen ölabstreifring 16 geführt ist. Der Kolben 13 bewegt dich innerhalb der Zylinderbohrung 2 auf eine an sich bekannte Weise nach oben und nach unten hin und her. Die in der Zeichnung oben liegende Stirnfläche des Kolbens 13, die der Unterseite des Zylinderkopfes 2 gegenüberliegt, ist im allgemeinen eben ausgebildet, und sie liegt in einer Ebene, die senkrecht auf der Achse der Zylinderbohrung 2 steht; in dieser Kolbenstirnfläche ist eine Kolbenausnehmung 17 eingeformt, die im wesentlichen mit der obengenannten Zylinderkopfhöhlung 5 fluchtet und die durch eine im wesentlichen senkrechte, seitliche Wand 17a und durch einen Boden 17Z> begrenzt ist, der wiederum im wesentlichen eben ausgebildet ist und in einer Ebene liegt, die senkrecht auf der Mittelachse der Zylinderbohrung 2 steht. Die Kolbenstirpfiäche des Kolbens 13 besitzt somit eine Formgebung, die im allgemeinen der Formgebung der Unterseite des Zylinderkopfes 4 entspricht, was aus F i g. 2 ersichtlich ist. In der Krone des Kolbens 13 ist die obengenannte Kolbenausnehmung 17 mit der Wand 17a und dem Boden 176 eingeformt, der von einem erhöhten und vorspringenden Abschnitt 18 auf der linken Seite in der F i g. I und auf der rechten Seite in der F i g. 1 von einer kleinen und von der Funktion her unwichtigen erhöhten Obe. (liehe abgesetzt ist, die unter Zusammenwirken mit dem obenerwähnten relativ vernachlässigbaren Abschnitt des ZylMiderkopfes 4 auf der — in den Figuren

— rechten Seite der Zylinderkopfhöhlung 5 einen relativ vernachlässigbaren Quetscheffekt hervorruft

Die Ausbildung ist so getroffen, daß, wenn der Kolben 13 innerhalb der Zylinderbohrung 2 seinen oberen Totpunkt erreicht, der Abschnitt 18 der Kolbenstirnfläehe sehr nahe am Abschnitt 10 des Zy.'iniierkopfes herankommt, so daß das in dem dazwischen begrenzten Quetschbereich 19 befindliche Luft/Brennstoff-Gemisch zusammengequetscht und mit hoher Geschwindigkeit

— gemäß der Fig. 1 — in seitlicher Richtung in einer zur Mittelachse der Zvlinderbohrune 2 senkrechten

Ebene herausgeschleudert bzw. herausgepreßt wird.

Gemäß einer bevorzugten konstruktiven Ausgestaltung kann das Volumen der Kolbenausnehmung 17 so bemessen sein, daß es 20% oder mehr des Verdichtungsraumes ausmacht, d. h„ daß es eine Größe besitzt, die < 20% oder mehr des Volumens ausmacht, das sich als Summe der Volumina der Kolbenausnehmung 17 und der Zylinderkopfhöhlung 5 ergibt.

Wenn sich im Betrieb der Brennkraftmaschine während des Verdichtungshubes der Kolben 13 seinem i< > oberen Totpunkt nähert, wobei das Einlaßventil 8 und das Auslaßventil 9 geschlossen sind, so daß der Einlaßkanal 6 und auch der Auslaßkanal 7 geschlossen sind, wird der Quetschbereich 19 plötzlich auf ein Volumen reduziert, das beinahe Null ist, und das i> zusammengequetschte Luft/Brennstoff-Gemisch wird in diesem Quetschbereich äußerst stark komprimiert und in einer seitlichen Richtung in einer zur Achse der Zylinderbohrung 2 senkrechten Ebene in den Brennraum iiiMäüsgcqüctscm. Aufgrund der Tatsache, da2 d;c -■· Wand 17a der Kolbenausnehmung 17 im wesentlichen senkrecht zu dem an der Kolbenkrone ausgebildeten Abschnitt 18 verläuft, zeigt dieses zusammengequetschte Luft/Brennstoff-Gemisch keinerlei Tendenz, auf der Oberseite des Kolbens 13 haften zu bleiben oder entlang .?> dieser Oberfläche zu strömen; das Gemisch wird vielmehr von dieser Kante weggespritzt. Durch den Coanda-Effekt zeigen diese Quetschströmungen, weil der Winkel zwischen der relativ gemäßigt bzw. schwach geneigten und ansteigenden Oberfläche 5a der Zylinder- jo kopfhöhlung 5 und dem Abschnitt 10 am Zylinderkopf 4 relativ schwach ausgeprägt ist, die Tendenz, einen Bogen zu beschreiben und dieser relativ schwach geneigten Oberfläche 5a zu folgen; die Quetschströmungen werden somit — gemäß F i g. 1 — etwas nach oben gerichtet, so daß sie nahe unter dem Einlaßventil 8 und dem Auslaßventil 9 vorbeiführen und direkt auf den vorderen Endabschnitt 12' der Zündkerze 12 auftreffen. Die schnelle Zündfähigkeit und der Verbrennungsverlauf des Luft/Brennstoff-Gemisches innerhalb der durch die Kolbenausnehmung 17 und die Zylinderkopfhöhlung 5 definierten Brennkammer sind somit positiv beeinflußt. Weil die Quetschströmung aufgrund des oben beschriebenen Coanda-Effektes nahe an der unteren Oberfläche des Auslaßventils 9 vorbeiführt, wird ferner der unkontrollierte Temperaturanstieg des Luft/Brennstoff-Gemisches in diesem Bereich verhindert und ein durch Vorzündung in diesem Bereich verursachtes Klopfen wird unwahrscheinlicher.

Weil im wesentlichen alle Quetschströmungen vom Quetschbereich 19 ausgehen und auf den Zentralabschnitt der Zylinderbohrung 2 gerichtet sind, kommt es zu keiner Kollision zwischen Quetschströmungen, die innerhalb des Brennraumes gegeneinander gerichtet sind und aufeinander treffen. Demgemäß ist die Quetschslrömung stabilisiert. Dadurch werden Srhwnnkungen des durch die Brennkraftmaschine erzeugten Drehmomentes insbesondere im Leerlauf reduziert, und die Brennkraftmaschine arbeitet im unteren Drehzahlbereich stabiler. Aufgrund dessen und aufgrund der Tatsache, daß die Brennbarkeit des Luft/Brennstoff-Gemisches im allgemeinen innerhalb des Brennraumes verbessert ist, ergibt sich, daß die Brennkraftmaschine mit einem Luft/Brennstoff-Gemisch betrieben werden kann, welches, ohne dadurch nachteilige Effekte hervorzurufen, mager eingestellt werden kann, so daß der Brennstoffverbrauch und ebenso die Reinheit der Abgase verbessert sind. Weil die Brennkraftmaschine wenig klopfgefährdet ist, kann dss Verdichtungsverhältnis angehoben sein, ohne es dadurch notwendig zu machen, einen Brennstoff mit hoher Oktanzahl zu verwenden.

Hierzu i Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Brennkraftmaschine mit einem innerhalb einer Zylinderbohrung hin- und herbewegbaren Kolben, dessen Kolbenstirnfläche sich aus einem ebenen Abschnitt, der sich im wesentlichen senkrecht zur Achse der Zylinderbohrung erstreckt, und einer Kolbenausnehmung mit einer im wesentlichen senkrechten Wand zusammensetzt, die am Obergang zwischen dem ebenen Abschnitt und der Kolbenausnehmung eine Kante bildet, und mit einem Zylinderkopf, dessen der Kolbenstirnfläche zugewandte Unterseite mit einer keilförmigen Zylinderkopfhöhlung und einem Abschnitt versehen ist, der im wesentlichen senkrecht zur Achse der Zylinderbohrung verläuft und dem ebenen Abschnitt der Kolbenstirnfläche so 2ugewandt ist, daß diese beiden Abschnitte einen Quetschbereich definieren, wobei die Zylinderkopfhöhlung von einer in den ebenen Anschnitt der Unterseite übergehenden, ersten Oberfläche, die in einem relativ flachen Winkel zu einer zur Achse der Zylinderbohrung senkrechten Ebene verläuft und in die ein ventilgesteuerter Einlaßkanal und ein ventilgesteuerter Auslaßkanal münden, und einer zweiten Oberfläche begrenzt ist, die in einem relativ großen Winkel zu der zur Achse der Zylinderbohrung senkrechten Ebene verläuft und in die eine Zündkerze eingesetzt ist, wobei die Kolbenausnehmung axial mit der Zylinderkopfhöhlung fluchtet und einen mit dem Umriß der Zylinderkopfhöhlung im wesentlichen übereinstimmenden Umriß hat und wobei der Quetschbereich überwiegei-.d auf der von der zweiten Oberfläche aogswandten Seite der Zylinderkopfhöhlung ausgebildet .st, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen dem ebenen Abschnitt (10) der Unterseite und der ersten Oberfläche (5a) am Übergang zwischen dem Abschnitt (10) und der ersten Oberfläche (Sa) etwa zwischen 160° und 165° liegt

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche des ebenen Abschnitts (10) der Unterseite des Zylinderkopfes (4) zwischen etwa 20% und etwa 33% der Querschnittsfläche der Zylinderbohrung (2) beträgt.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Kolbenausnehmung (17) im wesentlichen gleich oder größer als 20% der Summe aus dem Volumen der Kolbenausnehmung (17) und dem Volumen der keilförmigen Zylinderkopfhöhlung (5) ist.