DE3727038A1 - Gemischansaugende brennkraftmaschine mit quetschspalten im brennraum - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine gemischansaugende Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine eingangs genannte Brennkraftmaschine ist beispielsweise mit dem Gegenstand der DE 27 51 993 bekannt geworden. Merkmal dieser bekannten Brennkraftmaschine ist, daß im Brennraum eine rotationsförmige Strömung mit Hilfe einer Quetschspalte mit Umlenknase und einer gegenüberliegenden Quetschspalte ausgebildet wird. Hierbei wird eine fühlbare Verbrauchsminderung - verbunden mit einer Leistungsverbesserung des Motors und einer Verbesserung der Abgaswerte - erreicht.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine weitere Leistungsverbesserung des Motors mit einer Verbesserung der Abgaswerte zu erreichen.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die in Umfangsrichtung des Kolbens an die Umlenknase des Kolbens anschließenden, äußeren Flächen des Kolbens als weitere Quetschspalte in Verbindung mit Abschnitten der Zylinderkopffläche ausgebildet sind, welche eine in radialer Richtung der Kolbenoberfläche einwärts gerichtete Strömung erzeugen.

Wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, daß in einer Ebene, die senkrecht zur Ebene der rotationsförmigen Gemischströmung in der Brennkammer ist, eine zusätzliche Strömung erzeugt wird, die von den Flächen radial auswärts des Kolbens in Richtung etwa zum Mittelpunkt der Brennkammer gerichtet ist. Es erfolgt hier also eine Gemisch-Konzentration etwa in der Mitte der Brennkammer, wobei das sich in den radial aussen liegenden Teilen der Brennkammer befindliche Gemisch über die zusätzlichen erfindungsgemässen Quetschspalte in Richtung zur Mitte der Brennkammer geleitet wird.

Diese zusätzliche Quetschspaltenströmung erbringt überraschende Vorteile und gewährleistet eine weitere wesentliche Verbrauchsminderung in Verbindung mit einer Leistungsverbesserung des Motors und einer Verbesserung der Abgaswerte.

Erfindungsgemäss wird nämlich eine gemischansaugende Brennkraftmaschine nach der vorliegenden Erfindung bevorzugt zur Verbrennung von sogenannten Magergemischen verwendet. Das bedeutet, daß aufgrund der etwa in vertikaler Ebene in der Brennkammer gebildeten rotationsförmigen Gemischströmung das von dem Einlaßventil in die Brennkammer eingeleitete Gemisch in vertikaler Ebene die besagte rotationsförmige Gemischströmung bildet und dadurch unmittelbar und konzentriert der im Bereich dieser rotationsförmigen Gemischströmung angeordneten Zündkerze zugeführt wird.

Es erfolgt so eine schnelle Durchzündung der rotationsförmigen Gemisch­ strömung in der Brennkammer, wobei mit Zündung der Zündkerze eine in vertikaler Ebene rotierende Flammenfront erzeugt wird.

Erfindungsgemäss wird nun seitlich in diese Flammenfront eine Strömung eingeleitet, die von den radial außenliegenden Bezirken des Brennraumes in Richtung etwa zum Mittelpunkt des Brennraumes weist. Hierdurch werden also die in den radial außen liegenden Volumina des Brennraumes befindlichen mageren Strömungen konzentriert in die Mitte des Brennraumes geleitet, wo sie in die "rotierende Flammenfront" gelangen und dort selbst sofort durchgezündet werden.

Wichtig hierbei ist, daß die von den radial außenliegenden Flächen der Brennkammer in Richtung zur Mitte der Brennkammer gerichtete Strömung nicht rotiert, um die mittlere, rotierende Gemischströmung nicht zu stören.

Bei der vorliegenden Erfindung wird also allgemein Schutz dafür beansprucht, daß in eine rotationsförmige Gemischströmung, welche die Zündkerze bestreicht, seitlich Strömungen eingeleitet werden, welche das sich in den radial äußeren Bereichen der Brennkammer ansammelnde Gemisch in die rotationsförmige Gemischströmung einleitet.

Für die Ausbildung der Strömungsrichtung dieser Strömung sind mehrere Möglichkeiten gegeben.

In einer ersten Ausführungsform ist es vorgesehen, daß diese Strömung konzentrisch auf einen gedachten Mittelpunkt in der Brennkammer gerichtet ist.

In einer zweiten Ausführungsform ist es vorgesehen, daß diese Strömung jeweils von beiden Seiten nicht konzentrisch zum Mittelpunkt der Brennkammer gerichtet ist, sondern daß von beiden Seiten (bezüglich der Längs-Mittenlinie durch die Brennkammer) jeweils eine parallele Strömung in Richtung zur Längsmittenlinie der Brennkammer gerichtet wird.

Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander. Alle in den Unterlagen - einschließlich der Zusammenfassung - offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellende Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.

Es zeigen:

Fig. 1 Längsschnitt durch den oberen Teil einer Kolben-Zylinder­ anordnung einer Brennkraftmaschine nach der Erfindung entsprechend der Linie I-I in Fig. 2;

Fig. 2 den Schnitt durch die Anordnung nach Fig. 1 längs der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 perspektivische Seitenansicht des Kolbens nach Fig. 1 und Fig. 2 mit Darstellung der Strömungen;

Fig. 4 Vorderansicht des Kolbens nach Fig. 3 in Richtung des Pfeiles IV.

In einem Zylinder 1 läuft ein Kolben 2, wobei sich im Zylinderkopf 3 ein Einlaßventil 4 und ein Auslaßventil 12 befinden. Zwischen den Ventilen und der Fläche dazwischen im Zylinderkopf 3 als oberer Wand und der Kolbenoberfläche als unterer Wand wird ein Brennraum 5 ausgebildet. Der Kolben 2 weist einen wannenförmigen Kolbenboden 21 in Keilform (Keilbrennraum) auf, der an seiner linken Seite in eine Umlenknase 13 übergeht, die mit einer Rundung 17 in den Kolbenboden 21 einläuft.

Die Umlenknase 13 ist im Winkel zur Zylinderachse geneigt und bildet eine schräge Fläche, der ein gleichfalls schräger Abschnitt 22 am Zylinderkopf 3 gegenübersteht.

Durch diese beiden gleichgerichteten, schrägen Flächen wird ein linker Quetschspalt 7 gebildet, aus dem in der oberen Totpunktslage des Kolbens 2 eine starke Strömung 18 in Pfeilrichtung 9 entströmt, die an der Unterseite der Ventile 4, 12 entlangströmt. Die in Pfeilrichtung 9 gerichtete Strömung 18 trifft an der gegenüberliegenden Seite der Brennkammer 5 auf eine Rundung 25 des Zylinderkopfes 3 auf, wobei im Bereich dieser Rundung 25 die Zündkerze 6 angeordnet ist.

Die Rundung 25 geht stetig in den wannenförmig ausgebildeten Kolbenboden 21 über. Dadurch wird die in Pfeilrichtung 9 gegen die Rundung 25 gerichtete Strömung 18 umgelenkt und strömt in Pfeilrichtung 10 am Kolbenboden 21 entlang, wo die Strömung aufgrund der Rundung 17 am Kolbenboden wieder gleichsinnig in die in Pfeilrichtung 9 gerichtete Strömung 18 eingeleitet wird.

Dadurch wird eine stark rotierende mittlere Strömung 18 im Brennraum 5 und dem Kolbenboden 21 erzeugt, so daß mit Zündung der Zündkerze 6 diese Strömung 18 augenblicklich durchzündet.

Erfindungsgemäss werden nun in diese mittlere, etwa in vertikaler Ebene rotierende Strömung 18 seitliche Strömungen 19, 20 eingeleitet, welche von den radial aussenliegenden Teilen des Kolbens und der Brennkammer in Richtung zu der mittleren, rotierenden Strömung 18 verlaufen.

Hierzu ist gemäss Fig. 2 vorgesehen, daß im Anschluß an die Umlenknase 13 die radial außenliegenden Umfangsflächen des Kolbens 2 und die zugeordneten Flächen des Zylinderkopfes 3 als Quetschspalte 23, 24 ausgebildet sind, so daß durch die Quetschspalte 23, 24 Strömungen 19, 20 in den Pfeilrichtungen 11, 16 erzeugt werden, welche die in den radial außenliegenden Bereichen des Brennraumes 5 lagernden Gemischanteile in die mittlere, schnellrotierende Strömung 18 einleiten, wo sie durch die Strömung 18 sofort durchgezündet werden.

Es wird hierbei gemäss Fig. 2 bevorzugt, wenn die gesamte Umfangsfläche des Kolbens 2 (mit Ausnahme der Fläche der Umlenknase 13) als Quetschspalte 8, 23, 24 ausgebildet wird, so daß sich also in Verbindung mit den zugeordneten parallelen Flächen des Zylinderkopfes 3 ein umlaufender, halbmondförmiger Quetschspalt in der Draufsicht der Fig. 2 ergibt.

Dies hat zur Folge, daß im gesamten, halbmondförmigen Bereich, der durch die Quetschspalten 8, 23, 24 gebildet wird, das in den radial außenliegenden Teilen der Brennkammer 5 lagernde Gemisch konzentrisch in Richtung auf einen gedachten Mittelpunkt des Brennraumes 5 konzentriert wird, wo es dort in die rotierende mittlere Strömung 18 eingeführt wird.

In einer anderen Ausführungsform kann es jedoch auch vorgesehen sein, daß die einander gegenüberliegenden Quetschspalten 23, 24 eine gegen die Längsmittenlinie (Linie I-I in Fig. 2) gerichtete, parallele Strömung erzeugen und daß die den Quetschspalt 8 verlassende Strömung nicht in gleicher Ebene wie die Strömung aus den Quetschspalten 23, 24 ist, so daß die aus dem Quetschspalt 8 entstammende Strömung schräg nach unten gegen den Kolbenboden 21 gerichtet ist, um die mittlere Strömung 18 noch weiter zu verstärken.

In allen Fällen ist also wichtig, daß das in den äußeren Teilen 15, 15 a des Brennraumes lagernde Gemisch in die mittlere Strömung 18 eingeleitet wird.

Zur weiteren Verdeutlichung sei die Gemischbildung anhand der Fig. 3 näher erläutert.

Man erkennt, daß durch die an der einen Seite des Kolbens 2 angeordnete Umlenknase 13 in Verbindung mit der nicht näher dargestellten oberen Zylinderkopfwand und dem wannenförmigen Kolbenboden 21 eine mittlere rotierende Strömung 18 erzeugt wird, in deren Bereich die Zündkerze 6 angeordnet ist.

Dadurch, daß die Umfangsfläche des Kolben außerhalb der Umlenknase 13 als halbmondförmige Bogenfläche 14 ausgebildet wird und mit einer gleichen halbmondförmigen Bogenfläche 14 des Zylinderkopfes 3 zusammenwirkt, wird also ein umlaufender Quetschspalt außerhalb der Umlenknase 13 gebildet, durch den radial einwärts gerichtete Strömungen 19, 20 erzeugt werden.

Wichtig ist, daß die Strömungen 19, 20 so in den Brennraum 5 eingeleitet werden, daß sie die rotierende mittlere Strömung 18 nicht stören.

Hierbei können die Strömungen 19, 20 entweder konzentrisch etwa zum Mittelpunkt des Brennraumes 5 gerichtet werden. Es kann aber auch vorgesehen sein , daß die Strömungen 19, 20 (symbolisiert durch die Pfeile in Fig. 3) zueinander parallel sind und gegeneinander gerichtet sind, so daß sie im Bereich der Längsmittenlinie (Linie I-I in Fig. 2) aufeinandertreffen und dort von der mittleren, rotierenden Strömung 18 erfasst werden.

Die Fig. 4 zeigt die perspektivische Darstellung aus Fig. 3 in der Vorderansicht, wo erkennbar ist, daß die mittlere rotierende Strömung 18 oben durch die Zylinderkopfwand des Zylinderkopfes 3 und der Ventile 4, 12 begrenzt ist und unten durch den Kolbenboden 21, so daß die seitlichen Strömungen 19, 20 in den Pfeilrichtungen 11, 16 in die mittlere Strömung 18 eingeleitet werden, ohne den Strömungsverlauf dieser Strömung 18 zu stören.

Mit der beschriebenen Maßnahme wird also eine vollkommene Homogenisierung des Gemisches erreicht, wobei zunächst der fettere Gemischanteil durchgezündet wird und in diesen gezündeten Gemischanteil die äußeren Gemischanteile eingeführt werden und dadurch ebenfalls gut durchzünden. Hierdurch kann die Verdichtung im Vergleich zu der technischen Lehre nach der DE 27 51 993 nochmals erhöht werden, wodurch entsprechend die Leistung steigt und der Verbrauch gesenkt wird. Dadurch ist ein einwandfreier Fahrbetrieb auch mit Magergemischen möglich, wodurch nicht nur der Verbrauch weiter gesenkt wird, sondern auch die CO-Anteile im Abgas so niedrig werden, wie es der Gesetzgeber verlangt.

Zeichnungs-Legende

 1 Zylinder
 2 Kolben
 3 Zylinderkopf
 4 Einlaßventil
 5 Brennraum
 6 Zündkerze
 7 Quetschspalt
 8 Quetschspalt
 9 Pfeilrichtung
10 Pfeilrichtung
11 Pfeilrichtung
12 Auslaßventil
13 Umlenknase
14 Bogenfläche
15, 15 a äußerer Teil Brennraum 5
16 Pfeilrichtung
17 Rundung
18 Strömung (mittlere)
19 Strömung (äußere)
20 Strömung (äußere)
21 Kolbenboden
22 Abschnitt
23 Quetschspalt
24 Quetschspalt
25 Rundung

Claims (5)

1. Gemischansaugende Brennkraftmaschine mit einander gegenüberliegenden Quetschspalten (7, 8) zwischen Abschnitten der Zylinderkopffläche und der Kolbenoberfläche im oberen Totpunkt, mit einem im oberen Totpunkt gebildeten, wannenförmigen Brennraum (5), dessen obere Wand von den Ventilen (4, 12) und der zwischen den Ventilen liegenden Zylinderkopf­ fläche gebildet wird, dessen untere Wand von einem Teil des Kolbenbodens (21) begrenzt ist, wobei an der Kolbenoberfläche mindestens eine Umlenknase (13) angeordnet ist, welche eine rotationsförmige Strömung (18) im Brennraum (5) erzeugt, deren Rotationsachse quer zur Zylinder­ achse verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß die in Umfangsrichtung des Kolbens (2) an die Umlenknase (13) des Kolbens (2) anschließenden, äußeren Flächen des Kolbens (2) als weitere Quetschspalte (23, 24) in Verbindung mit Abschnitten der Zylinderkopffläche ausgebildet sind, welche eine in radialer Richtung der Kolbenoberfläche einwärts gerichtete Strömung (19, 20) erzeugen.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von den weiteren Quetschspalten (23, 24) erzeugte, in radialer Richtung einwärts gerichtete Strömung linear ist und nicht rotiert.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von den weiteren Quetschspalten (23, 24) erzeugte Strömung (19, 20) in einer Ebene liegt mit der Strömung aus der Quetschspalte (8), welche der Umlenknase (13) am Kolben (2) gegenüberliegt.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die von den weiteren Quetschspalten (23, 24) erzeugte Strömung (19, 20) etwa in die Mitte des Kolbenbodens (21) gerichtet ist und in einer solchen Höhe über dem Kolbenboden (21) strömt, daß die mittlere rotationsförmige Strömung (18) nicht gestört wird.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die von den weiteren Quetschspalten (23, 24) erzeugte Strömung (19, 20) in einer Ebene etwa senkrecht zur Zylinderachse verläuft.