DE3741218A1 - Hubkolben-viertakt-brennkraftmaschine - Google Patents
Hubkolben-viertakt-brennkraftmaschineInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Hubkolben-Viertakt-Brennkraftmaschine
mit äußerer Gemischbildung, Ein- und Auslaßventilen,
drallerzeugenden Einlaßkanälen, einer rotationssymmetrischen
Brennraummulde im Kolben, die überwiegend den
Brennraum bildet, mit ebener Zylinderkopfunterseite und zu
der Zylinderachse parallelen Ventilachsen, sowie mit einer
gegenüber der Zylinderkopfebene zurückgesetzten Zündkerze.
Bei einer bekannten Maschine dieser Art wie sie in der
DE-OS 15 26 285 beschrieben ist, weist die Brennraummulde
einen rechteckigen Querschnitt auf, wobei sie insbesonders
eine scharfe Kante mit dem Kolbenboden bildet. Weiters ist
die Zündkerze sehr exzentrisch zur Brennraummulde angeordnet,
und zwar in der Nähe der Kante, die vom Kolbenboden und
der zylindrischen Brennraummuldenwand gebildet wird. Bei
einer derartigen Ausbildung des Brennraumes kann es hierbei
zu unerwünschten Wechselwirkungen der Drallströmung mit der
Quetschströmung kommen, die sich gegenseitig behindern, wobei
die klopfverhindernde Wirkung nicht voll zum Tragen
kommt. Außerdem wird der Bereich um die Zündkerze voll von
der Quetschströmung erfaßt, was die Zündung des Gemisches
erschwert. Damit kann bei gegebenem Kraftstoff ein sehr hohes
Verdichtungsverhältnis, wie bei stark überstöchiometrischen
(mageren) Kraftstoff-Luftgemischen angestrebt, nicht
erreicht werden.
Der thermische Wirkungsgrad des idealen ottomotorischen
Prozesses ist definitionsgemäß
Mit steigendem Verdichtungsverhältnis ε und zunehmendem
Verhältnis der spezifischen Wärme
nimmt der Hochdruck-Wirkungsgrad
zu, so daß auch im realen Motorprozeß
durch hohe Verdichtung und überstöchiometrische Kraftstoff-Luft-Verhältnisse,
insbesondere aber auch im Teillastbetrieb
des Ottomotors entscheidende Wirkungsgrad- und Verbrauchsverbesserungen
zu erzielen sind. Zusätzlich ist die
Drosselung des Motors bei überstöchiometrischem Teillastbetrieb
geringer, so daß infolge verringerter Ladungswechselarbeit
eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades erreicht
wird. Im realen Prozeß besteht zudem eine deutliche
Abhängigkeit des Prozeß-Wirkungsgrades vom Ablauf der Verbrennung.
Da die der idealen Prozeßführung zugrundeliegende
Wärmefreisetzung im O. T. des Verbrennungstaktes praktisch
nicht realisiert werden kann, ist eine möglichst kurze
Brenndauer bei gleichzeitiger optimaler Lage der Wärmefreisetzung
relativ zum O. T. des Verbrennungstaktes entscheidend
für eine optimale Prozeßführung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei überstöchiometrischen
Kraftstoff-Luft-Verhältnissen eine sichere
Entflammung des Gemisches und eine durch entsprechende
Ladungsbewegung beschleunigte Verbrennung zu erzielen, welche
als wichtige Voraussetzung für einen wirkungsgradoptimalen
Verbrennungsablauf anzusehen ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß die eingangs genannte Hubkolben-Viertakt-Brennkraftmaschine
nach den folgenden Merkmalen weitergebildet
wird:
- a) die Einlaßkanal-Drallzahl worin n D die im Stationärversuch ermittelte Flügelraddrehzahl des Drallmeßgerätes und n die aus der gemessenen Durchflußmenge berechnete Motordrehzahl ist, und der Index m ausdrückt, daß das Verhältnis über dem Ansaugtakt einen O. T. bis U. T. des Motors integrierten Mittelwert darstellt,
- b) die Brennraummulde erweitert sich ständig von ihrem Boden bis zum Kolbenboden, und der größte Durchmesser (d) der Brennraummulde am Kolbenboden beträgt d =0,54×D bis 0,77×D,wobei D der Kolbendurchmesser ist,
- c) die Quetschspalthöhe (h) beträgt 0,02 bis 0,03×Kolbenhub,
- d) eine Zündkerze, deren Exzentrizitätsmaß beträgt, wobei e der Normalabstand des Durchstoßpunktes A der Zündkerzenachse in der Zylinderkopfunterseite zur Zylinderachse ist,
- e) die Spitze der Mittelelektrode der Zündkerze ist gegen die Zylinderkopfebene um das Maß (s) zurückversetzt, das 2 bis 5 mm beträgt,
- f) es ist eine Zündkerzennische vorgesehen, die Kegelsegmentform besitzt mit einem Öffnungswinkel (α) zwischen 90° und 120°.
Bezüglich Bestimmung der Einlaßkanal-Drallzahl wird
auf die Abhandlung "Entwicklungsarbeiten an Ventilkanälen
von Viertakt-Dieselmotoren", G. THIEN, Graz, insbesondere
Abschnitt C, "Messung der Strömungseigenschaften von Ventilkanälen",
veröffentlicht in: Österreichische Ingenieur-Zeitschrift,
Sonderabdruck aus Heft 9, Jg. 8 (1965), Seiten
291 bis 302, verwiesen.
Damit ist eine Realisierung hoher Verdichtungsverhältnisse,
durchschnittlich bis zu zwei Punkte höher (z. B.
11 : 1 statt 9 : 1) im Vergleich zu konventionellen Verbrennungssystemen
bei gleicher Kraftstoffqualität, auch im
Hinblick auf einen zufriedenstellenden Vollastdrehmomentverlauf
und niedere Vollastkraftstoffverbräuche möglich.
Die kompakte Brennraumform sowie die erzielte intensive
Verbrennung ermöglichen an der Vollast klopffreien Betrieb
bei akzeptablem Mitteldruck und äußerst günstigen spezifischen
Kraftstoffverbräuchen.
Hinsichtlich der Schadstoffemissionen bietet die erfindungsgemäße
Brennkraftmaschine entscheidende Vorteile.
Wie Fig. 5 zeigt, kann durch einen Betrieb des Ottomotors
bei Luftverhältnissen λ 1,3 vor allem eine entscheidende
Verringerung der Emission an Stickoxiden bei geringsten
Kohlenmonoxidemissionen sowie beherrschbaren Kohlenwasserstoffemissionen
erzielt werden. In Kombination mit einer
geeigneten Motor-Fahrzeugabstimmung kann somit die Einhaltung
strenger Abgasgrenzwerte ohne, oder aber mit einfacheren
Zusatzmaßnahmen, im Vergleich zu Motorkonzepten
mit Dreiweg-Katalysator und λ = 1-Regelung erzielt werden.
In jedem Fall bleibt der Wirkungsgradvorteil und entsprechend
der Verbrauchsvorteil des Magerkonzepts bestehen, der
z. B. etwa 15% unter US-FIP 75 Testbedingungen beträgt.
Als weiterer Vorteil ist die hohe Toleranz des Verbrennungssystems
gegenüber Abgasrückführung zu nennen, so
daß durch diese Zusatzmaßnahme eine Reduktion der NO x -Emission
ohne wesentliche Verbrauchsverschlechterung und
Anstieg der HC-Emission erfolgen kann.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die
Lage der Brennraummulde zum Auslaßventil verschoben sein,
wobei eine Überdeckung U der Flächen des Auslaßventiltellers
und der Brennraummulde vorhanden ist, die definiert
ist als
wobei F U die überdeckte Fläche und F V die Fläche des Auslaßventiltellers
ist. Dadurch wird vorteilhaft die Wärmeabfuhr
aus der Flammenfront zu Beginn der Verbrennung gering
gehalten und somit Teillastkraftstoffverbrauch und
HC-Emission reduziert, und weiters vermieden, daß ein durch
die Wärmestrahlung des Auslaßventiltellers erhitzter Endgasanteil
bei brennraummuldenferner Lage des Auslaßventiles
von der Flammenfront sehr spät erfaßt wird und bei Vollastbetrieb
zur Klopfausgangsstelle wird.
In Ausgestaltung der Erfindung kann weiters eine
Exzentrizität e ZM der Brennraummuldenachse in bezug auf die
Zündkerze vorhanden sein, welche durch
begrenzt ist, worin e die Exzentrizität des Durchstoßpunktes
A der Zündkerzenachse mit der Zylinderkopfebene in bezug auf
die Zylinderachse und e M die Exzentrizität der Brennraummuldenachse
in bezug auf die Zylinderachse bedeuten. Damit wird
vermieden, daß der an der Zündkerze entstehende Flammenkern
durch den im OT-Bereich sehr starken Drall in der Brennraummulde
frühzeitig von hohen Tangentialströmungsgeschwindigkeiten
erfaßt und in seiner Weiterentwicklung gestört
wird; die Stabilität der Verbrennung magerer Gemische
kann so erhöht werden.
Vorteilhaft ist es, wenn im Rahmen der Erfindung
die Brennraummuldenform aus einer oder mehreren Kugel-
und/oder Kegelschichten besteht, wobei
ist, worin D K den Kugeldurchmesser oder den mittleren
Durchmesser der entsprechenden Sehne bei Kegelschicht bedeutet
und wobei für die Muldentiefe t bei einem Verdichtungsverhältnis
ε 14 gilt:
bzw.
Auf diese Weise können die gegensätzlichen Anforderungen
an den Brennraum für den Teillast- und Vollastbetrieb mit
einem optimalen Kompromiß befriedigt werden.
Besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn der
Verrundungsradius (r) zwischen Kugel- oder Kegelschicht
und dem Brennraummuldenboden
beträgt. Damit
kann erstens eine gestaltfestigkeitsmäßig günstige Auslegung
dieses Überganges getroffen werden.
Weiters wird die durch die Wechselwirkung mit der
Drallströmung an der Brennraummuldenwand entlangfließende
Quetschströmung sanft umgelenkt und bildet so eine längerandauernde
torusförmige Sekundärströmung in der Brennraummulde,
welche die Verbrennung magerer Gemische in der gewünschten
Weise beschleunigt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles
näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen axialen Teilschnitt nach der Linie I-I
in Fig. 2,
Fig. 2 eine Ansicht des Zylinderkopfes von unten,
Fig. 3 dazu einen teilweisen Axialschnitt des Kolbens
und
Fig. 4 eine Draufsicht auf den Kolben.
Fig. 5 zeigt den Einfluß des Luftverhältnisses λ
auf die Abgaszusammensetzung.
Von der in den Fig. 1 bis 4 veranschaulichten erfindungsgemäßen
Brennkraftmaschine sind nur die erfindungswesentlichen
Teile dargestellt. Es sind dies der Zylinder 1,
der Zylinderkopf 2 und der Kolben 3. Im Zylinderkopf 2 sind
das Einlaßventil 4 und das Auslaßventil 5 axial gleitbar gelagert;
sowohl die Achse 4′ des Einlaßventils 4 als auch
die dargestellte Achse 5′ des Auslaßventils 5 sind parallel
zur Zylinderachse 6 angeordnet. In der in Fig. 1 dargestellten
Geschlossenstellung des Auslaßventils 5 ist die untere
Stirnfläche 7 des Ventiltellers 8 bündig mit der Zylinderkopfebene
9. Der Einlaßkanal 10 ist als Drallkanal ausgebildet
und ist dementsprechend im Bereich des Einlaßventils
4 als Einlaßspirale 10′ ausgebildet. Der vom Auslaßventil 5
kontrollierte Auslaßkanal ist mit 11 bezeichnet. Die Strömungsrichtung
im Einlaßkanal 10 ist durch den Pfeil 12 und
die Strömungsrichtung im Auslaßkanal 11 ist durch den Pfeil
12′ veranschaulicht.
Im Zylinderkopf 2 befindet sich eine Zündkerze 13,
deren mit 13′ bezeichnete Achse in einem spitzen Winkel zur
Zylinderachse 6 steht. Die Mittelelektrode 14 der Zündkerze
13 hat von der Zylinderkopfebene 9 einen in der Zeichnung
mit s bezeichneten Abstand, der im Bereich zwischen 2 und 5 mm
liegt. Die Bohrung 15 im Zylinderkopf 2, welche die Zündkerze
13 aufnimmt, läuft im Funkenbereich der Zündkerze zur Zylinderkopfebene
9 hin in eine kegelförmige Nische 16 aus,
deren Kegelwinkel a zwischen 90° und 120° liegt. Diese Nische
16 ergibt einerseits einen strömungsarmen Bereich,
welcher eine einwandfreie Entflammung des Gemisches garantiert,
und andererseits ist diese Nische infolge ihrer Nähe zu
den beiden Ventilen 4 und 5 jeweils gut gespült, so daß eine
einwandfreie Zündung des Kraftstoff-Luftgemisches durch den
Zündfunken gewährleistet ist.
Im Kolben 3 befindet sich die Brennraummulde 17 mit
der Tiefe t, welche die Form eines Rotationskörpers besitzt
und im Kolben 3 mit ihrer Achse 17′ gegenüber der Achse 6 des
Kolbens um das Maß 18 (Fig. 4) versetzt angeordnet ist. Die
Brennraummulde 17 weist eine Kugelschicht 19 auf, deren Tiefe
mit t′ und deren Durchmesser mit D k bezeichnet ist. Der Boden
20 der Brennraummulde ist eben und weist einen Durchmesser
d r auf, der mit r bezeichnete Verrundungsradius zwischen
der Kugelschicht 19 und dem ebenen Boden 20 kann
betragen. Anstelle des ebenen Bodens 20
kann auch ein gewölbter Boden, z. B. wie in Fig. 1 strichpunktiert
angedeutet und mit 21 bezeichnet, in Form einer
Kugelkalotte treten.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Stellung des Kolbens
3 im O. T. wird bei der oberen Begrenzungsebene 22 des Zylinders
1 eine Quetschspalte 23 gebildet, deren Höhe h 2 bis
3% des Kolbenhubes beträgt. Der Durchstoßpunkt A der Achse
13′ der Zündkerze 13 an der unteren Stirnfläche 7 des Zylinderkopfes
2 weist von der Zylinderachse 6 den Abstand e auf,
der vom Durchmesser D des Kolbens 5 weniger od. gleich 20%
ausmacht. Die Exzentrizität der Brennraummuldenachse 17′ ist
in bezug auf die Zylinderachse 6 mit e M bezeichnet. Die Überdeckung
U der Flächen des Auslaßventiltellers 25 und der
Brennraummulde 17 ist schraffiert hervorgehoben und mit 24
bezeichnet. Sie beträgt im Verhältnis zur Fläche des Auslaßventiltellers
mindestens 35 v. H. Im Kolben ist eine Ventiltasche
mit einer Tiefe t v und einem Durchmesser d v eingefräst.
Durch die beschriebene Konzeption ist ein sogenanntes
Verbundsystem, d. h. eine Motorbaureihe sowohl für direkt einspritzende
Dieselverfahren als auch für Otto-Verfahren möglich,
wobei die Produktionskosten zufolge hohen Gleichteileanteils
vorteilhaft beeinflußt werden können.
Claims (5)
1. Hubkolben-Viertakt-Brennkraftmaschine mit äußerer Gemischbildung,
Ein- und Auslaßventilen, drallerzeugenden Einlaßkanälen,
einer rotationssymmetrischen Brennraummulde
im Kolben, die überwiegend den Brennraum bildet, mit
ebener Zylinderkopfunterseite und zu der Zylinderachse
parallelen Ventilachsen, sowie mit einer gegenüber der
Zylinderkopfebene zurückgesetzten Zündkerze, gekennzeichnet
durch folgende Merkmale:
- a) die Einlaßkanal-Drallzahl worin n D die im Stationärversuch ermittelte Flügelraddrehzahl des Drallmeßgerätes und n die aus der gemessenen Durchflußmenge berechnete Motordrehzahl ist und der Index m ausdrückt, daß das Verhältnis über dem Ansaugtakt einen von O. T. bis U. T. des Motors integrierten Mittelwert darstellt,
- b) die Brennraummulde erweitert sich ständig von ihrem Boden bis zum Kolbenboden, und der größte Durchmesser d der Brennmulde am Kolbenboden beträgt d =0,54×D bis 0,77×Dwobei D der Kolbendurchmesser ist,
- c) die Quetschspalthöhe (h) beträgt 0,02 bis 0,3×Kolbenhub,
- d) eine Zündkerze, deren Exzentrizitätsmaß beträgt, wobei e der Normalabstand des Durchstoßpunktes A der Zündkerzenachse in der Zylinderkopfunterseite zur Zylinderachse ist,
- e) die Spitze der Mittelelektrode der Zündkerze ist gegen die Zylinderkopfebene um das Maß (s) zurückversetzt, das 2 bis 5 mm beträgt,
- f) es ist eine Zündkerzennische vorgesehen, die Kegelsegmentform besitzt mit einem Öffnungswinkel (α) zwischen 90° und 120°.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Lage der Brennraummulde zum Auslaßventil verschoben
ist, wobei eine Überdeckung U der Flächen des Auslaßventiltellers
und der Brennraummulde vorhanden ist,
die definiert ist als
wobei F U die überdeckte Fläche und F V die Fläche des Auslaßventiltellers
ist.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet
durch eine Exzentrizität e ZM der Brennraummuldenachse in
bezug auf die Zündkerze, definiert durch
worin e die Exzentrizität des Durchstoßpunktes A der
Zündkerzenachse mit der Zylinderkopfebene in bezug auf die
Zylinderachse und e M die Exzentrizität der Brennraummuldenachse
in bezug auf die Zylinderachse bedeuten.
4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Brennraummuldenform aus
einer oder mehreren Kugel- und/oder Kegelschichten besteht,
wobei
ist, worin D K den Kugeldurchmesser oder den mittleren
Durchmesser der entsprechenden Sehne bei Kegelschicht bedeutet
und wobei für die Muldentiefe t bei einem Verdichtungsverhältnis ε 14 gilt:
bzw.
5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Verrundungsradius (r) zwischen Kugel- oder
Kegelschicht und dem Brennraummuldenboden
beträgt.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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ID=3549935
Family Applications (1)
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
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8130 | Withdrawal |