DE3224337C1 - Hubkolben-Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine fremdgezündete, ein mageres Gemisch ansaugende Hubkolben-Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Hubkolben-Brennkraftmaschinen mit einem rotationssymmetrischen Brennraum, der teils als Kolbenmulde und teils im nach oben gewölbten Zylinderkopf ausgebildet ist, sind aus SAE 81 0008 und MTZ (1981) 9, S. 335—342 bekannt. Das angesaugte Gemisch bildet in dem Brennraum einen Wirbel, der die Strömungsform einer in sich geschlossenen Potential-Rotations-Drehströmung hat, wie sie in der Zeitschrift „Staub", Band 23, Nr. 9, November 1963, S. 491-501, ausführlich erläutert ist Dieser Wirbel besteht aus einer äußeren, spiralig verlaufenden Potentialströmung, die am Boden der Kolbenmulde in eine innere, zu ihr konzentrische, in Gegenrichtung verlaufende, ebenfalls spiralige Rotationsströmung übergeht, die nach Durchlauf des Brennraums sich am oberen Teil des Zylinderkopfs wieder mit der äußeren Potentialströmung zusammenschließt An dieser Stelle bildet sich eine Wirbelquelle, während am Boden der Kolbenmulde eine Wirbelsenke erzeugt wird. Auf das Gemisch wirken von der Rotationsströmung her Zentrifugalkräfte und von der Wirbelquelle verursachte Reibungs- bzw. Schleppkräfte, die beide radial nach außen gerichtet sind. In der äußeren Potentialströmung überwiegen die radial nach innen gerichteten Schleppkräfte aufgrund der Senkenströmung. Insgesamt ergibt sich also eine resultierende Kraftwirkung vom Zentrum nach außen, sowie vom äußeren Wirbelrand nach innen hin zu einer mittlei en, zwischen Rotationsströmung und Potentialströmung gelegenen, ringförmigen Mischzone, in die vor allem die massereichen Teile, d. h. die Kraftstoffteile getrieben werdea Daraus resultiert ein Schichtladungseffekt, der ohne zusätzliche Bauteile allein durch die Gestaltung des Brennraumes erzielt wird.

Wenn die Zündeinrichtung in der kraftstoffreichen Mischzone angeordnet wird, ist auch bei Betrieb der Brennkraftmaschine mit magerem Gemisch eine gut funktionierende Zündung gewährleistet

Die Zündsicherheit kann noch erhöht werden, indem zwei Zündeinrichtungen verwendet werden, wie sie in DE-OS 26 24 128 beschrieben sind, wobei die Zündeinrichtungen an gegenüberliegenden Seiten der Kolbenachse angeordnet sind.
Da nun aber der mittlere Durchmesser der Mischzone von der Winkelgeschwindigkeit des Wirbels abhängig ist, die wiederum eine Funktion der Kolbengeschwindigkeit bzw. der Drehzahl der Brennkraftma:chine ist, besteht die Aufgabe der Erfindung darin, die beiden Zündeinrichtungen so anzuordnen, daß über den ganzen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine eine sichere Zündung und damit ein hoher Verbrennungswirkungsgrad erreicht wird.

Eine Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Wenn sich der mittlere Durchmesser der Mischzone mit verminderter Kolbengeschwindigkeit vergrößert, rückt die am äußeren Rand der Mischzone gelegene Zündeinrichtung tiefer in die Mischzone hinein und sorgt so für deren einwandfreie Zündung. Bei sich verkleinerndem mittlerem Durchmesser der Mischzone wird sie von der am inneren Rand angeordneten Zündkerze besser erfaßt, so daß bei allen Kolbengeschwindigkeiten mindestens eine Zündeinrichtung von der kraftstoffreichen Mischzone ganz umhüllt ist und die Vorzüge der Schichtladung über den ganzen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine erhalten bleiben.

Weitere, die Erfindung ausgestaltende Merkmale enthalten die Ansprüche 2,3 und 4.
Die Bemessung und Anordnung des Brennraums innerhalb der Brennkraftmaschine ist in F i g. 1 bis 4 dargestellt Es zeigt

F i g. 1 Querschnitt des Brennraumes,
F i g. 2 Draufsicht auf die Grundfläche des Zylinderkopfes gemäß Fig. 1,

F i g. 3 Schnitt nach Linie III-III der F i g. 2,
F i g. 4 Schnitt nach Linie IV-IV der F i g. 2,
F i g. 5 und F i g. 6 zeigen im Schema eine Potential-Rotations-Drehströmung in einem zylindrischen Raum. Im Zylinderblock 1 einer Hubkolben-Brennkraftmaschine ist ein Kolben 2 mit kugeliger Stirnfläche 3 längsgeführt. Zentral im Kolbenboden ist eine Mulde 4 eingearbeitet, die zusammen mit der darüber kugelförmig nach oben gewölbten Innenwand 5 des Zylinderkopfs 6 einen linsenförmigen Brennraum bildet, der etwa hälftig im Kolben und Zylinderkopf liegt. An den Brennraum schließen sich außen ringsumlaufende Quetschflächen 7 an, die symmetrisch zur Kolbenachse 2' ausgebildet sind. In den Querschnitten nach Fig. 3

und F i g. 4 entsprechend den Linie HI-UI bzw. IV-IV der Fig.2 beträgt die Quetschfläche ca. 8% der Brennl uumfläche. Das Einlaßventil 8 ist mit einem Winkel von 25°, das Auslaßventil 9 mit einem Winkel von 30° zur Kolbenachse 2' angeordnet Die Mulde 4 des Kolbens 2 geht bogenförmig in die Quetschflächen 7 über, wobei eine Bogenkuppe 10 im oberen Totpunkt des Kolbens auf der Achse des Einlaßventils 8 liegt

Beidseitig und rechtwinkelig zur Verbindungslinie 11 der Achsmitten von Einlaß-Auslaßventil sind Zündkerzen 12 und 13 in den Zylinderkopf eingeschraubt, die zur Kolbenachsc 2' jeweils einen Winkel von 28° bilden. Ihre Zündelektroden 12' und 13' ragen in die Mischzone 14 einer im Brennraum sich ausbildenden Drehströmung hinein, die aus einer Potentialströmung 15 und einer hierzu konzentrischen, gleichsinnig umlaufenden, jedoch in Gegenrichtung fortschreitenden Rotationsströmung 16 besteht Eine solche Drehströmung ist in F i g. 5 für eine zylindrische Berandung dargestellt Ist die Beran-

10 dung wie im vorliegenden Fall ein linsenförmiger Brennraum, so wird die Kontur der Potentialströmung entsprechend linsenförmig verformt Die Rotationsströmung bleibt im wesentlichen zylindrisch. Wie in F i g. 6 gezeigt, wandern die massereichen Teilchen der Strömung, das sind bei einem Kraftstoff-Luft-Gemisch die Kraftstoffteilchen von innen und von außen zu der mittigen, ringförmigen Mischzone 14, die demzufolge eine weit höhere Kraftstoffkonzentration aufweist als der übrige Brennraum. Da die Zündelektroden 12' und 13' in dieser fetten Mischzone angeordnet sind, ist auch dann eine Zündung sichergestellt, wenn die Brennkraftmaschine mit verhältnismäßig magerem Gemisch betrieben wird. Die in dem rotationssymmetrischen Brennraum gleichmäßig umlaufende Wirbelströmung läßt nach der Zündung die Flammenfront gleichmäßig fortschreiten und erbringt eine vollkommenere Verbrennung, als das bei bisherigen Brennkraftmaschinen möglich war.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Fremdgezündete, ein mageres Gemisch ansaugende Hubkolben-Brennkraftmaschine mit unter spitzen Winkeln zur Kolbenachse angeordneten Ein- und Auslaßventilen, mit einem zur Kolbenachse rotationssymmetrischen Brennraum, der teils als Kolbenmulde und teils im nach oben gewölbten Zylinderkopf ausgebildet ist, in den das Gemisch unter Ausbildung eines Wirbels angesaugt wird und in dem eine erste Zündeinrichtung mit wesentlichem Abstand zur Kolbenachse vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung einer äußeren Potentialströmung (15) und einer hierzu konzentrischen, kolbenachsennahen Rotationsströmung (16) im Brennraum die erste Zündeinrichtung (12) bei mittlerer Kolbengeschwindigkeit am inneren Rand und eine zweite Zündeinrichtung (13) am äußeren Rand einer sich zwischen beiden Strömungszonen (15,16) ausbildenden, relativ kraftstoffreichen Mischzone (14) angeordnet ist

2. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Zündeinrichtungen zwei Zündkerzen (12,13) verwendet sind, deren Zündelektroden (12', 13') diametral einander gegenüberliegend in die Mischzone (14) hineinragen.

3. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündelektroden (12', 13') nacheinander mit geringem zeitlichem Abstand zünden.

4. Brennraum nach Anspruch 1, wobei zwischen dem Kolben und dem Zylinderkopf kugelförmig gekrümmte Quetschflächen liegen, die einander gleich und symmetrisch zur Kolbenachse gestaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenmulde (4) bogenförmig in die Quetschflächen (7) übergeht und sich radial so weit erstreckt, daß die Bogenkuppe (10) im oberen Totpunkt des Kolbens (2) annähernd auf der Achsmitte des Einlaßventils (8) liegt.