DE3807841C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine gemischverdichtende Brennkraftmaschine gemäß den weiteren im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Eine Brennkraftmaschine der gattungsgemäßen Bauart ist aus der US-PS 16 05 391 bekannt. Der dabei innerhalb des zylinderkopfseitigen Hauptbrennraumes angeordnete Hilfsbrennraum besitzt eine Überströmbohrung, deren Durchlaßquerschnitt die gleiche Größe hat wie der Hilfsbrennraum selbst. Dies hat den Nachteil, daß sich zwischen Hilfs- und Hauptbrennraum kein hohes Druckgefälle aufbauen kann.

Hierduch bedingt besitzt der aus der Überströmbohrung austretende Zündstrahl nur eine mäßige Energie, die nicht ausreicht, nach dem Auftreffen auf dem Kolbenboden über der Kolbenbodenfläche einen bis zu den Zylinderwänden reichenden Flächenbrand zu erzeugen. Außerdem ist zu berücksichtigen, daß zum Zündzeitpunkt der Kolben noch einen erheblichen Abstand von der Überströmbohrung hat, so daß sich aufgrund des noch geringeren Druckgefälles kein effektiver Zündstrahl entwickeln kann. Durch das niedrige Druckgefälle erfolgt die Entflammung des Gemisches im Hauptbrennraum im unmittelbaren Bereich der Überströmbohrung. Die hiervon ausgehende Flammenfront breitet sich mit einer radialen Komponente von innen nach außen aus. Hierbei wird unverbranntes Gemisch in den Feuerstegspalt des Kolbens verdichtet, durch das die HC-Emissionen im Abgas erhöht werden. Schließlich besteht noch ein Nachteil darin, daß der Brennbeginn mit einer relativ kleinen Flammenoberfläche einsetzt, was mit einer anfänglichen niedrigen Energieumsetzungsrate und damit einem weniger steilen Druckanstieg im Brennraum verbunden ist.

Ferner ist aus der US-PS 42 03 393 eine Zündkammer für eine gemischverdichtende Brennkraftmaschine bekannt, deren Überströmbohrung ebenfalls einen großen Durchströmquerschnitt aufweist. Um hierbei die Strömungsgeschwindigkeit des Zündstrahls zu erhöhen, wird verdichtetes Gemisch in die Zündkammer gefördert. Wegen der geringen Energie des Zündstrahls setzt die Entflammung des Gemisches im Austrittsbereich der Überströmbohrung ein, so daß diese Brennkraftmaschine hinsichtlich der Ausbreitung der Flammenfront und der Energieumsetzungsrate die gleichen Nachteile besitzt wie gattungsgemäße Brennkraftmaschine.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Brennkraftmaschine derart zu verbessern, daß ein Ausbrennen des Kraftstoff-Luft-Gemisches mit einem hohen Massenanteil und stark reduzierten Schadstoffanteilen, insbesondere von unverbrannten Kohlenwasserstoffen erzielt wird.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Durch die Erfindung wird erreicht, daß der Zündstrahl unter hohem Druck und Geschwindigkeit aus der Überströmbohrung austreten und auf einem möglichst kurzen Weg auf die Prallfläche am Kolbenboden auftreffen kann. Dabei ist durch den relativ kurzen Strahlweg sichergestellt, daß der Zündstrahl durch Gemischbewegungen im Hauptbrennraum nicht aufgerissen wird und daß allenfalls zunächst nur ein im Peripheriebereich des Zündstrahles liegender Gemischanteil zur Entflammung gelangt. Nach dem Aufschlagen auf der Prallfläche wird der Zündstrahl schlagartig und gleichmäßig in radialer Richtung aufgefächert. Die dabei in radialer Richtung über den Kolbenboden hinwegschießenden Feuerlanzen erzeugen einen Flächenbrand über dem Kolbenboden, welcher nach Erreichen der Zylinderwand in die Vertiefung des Zylinderkopfes und teilweise in den Feuerstegspalt umgelenkt wird. Die Entflammung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Hauptbrennraum beginnt somit durch einen Flächenbrand bzw. einen Feuerschleier über dem Kolbenboden. Die hiervon ausgehende Flammenfront breitet sich dabei in Richtung der Vertiefung im Zylinderkopfboden aus. Das vor der Flammenfront befindliche unverbrannte Kraftstoff-Luft-Gemisch wird somit unter zunehmendem Druck in Richtung der Vertiefung verdichtet. Mit der Erfindung wird somit ein Verbrennungsablauf erzielt, der die nachfolgend genannten besonderen Vorteile aufweist:

• - Durch den Feuerschleier ist der Feuerstegspalt vom unverbrannten Gemisch abgesperrt und in Verbindung mit der Bewegung der Flammenfront wird verhindert, daß unverbranntes Gemisch in den Feuerstegspalt gedrückt werden kann. Hierdurch wird eine erhebliche Reduzierung der unverbrannten Kohlenwasserstoffe im Abgas erreicht.
• - Infolge der großflächigen Entflammung des Kraftstoff- Luft-Gemisches läuft die Verbrennung mit einer hohen Energieumsetzungsrate ab. Da dies mit einer Zunahme der Gleichraumverbrennung verbunden ist, ergibt sich hieraus eine Verbesserung des Prozeßwirkungsgrades.
• - Durch die hohe Energieumsetzungsrate und der damit einhergehenden hohen Ausbrenngeschwindigkeit des Gemisches wird das Auftreten einer verschleppten Verbrennung reduziert.
• - Durch die großflächige Entflammung des Gemisches ergeben sich gute Voraussetzungen für den Einsatz von stark abgemagerten Gemischen, ohne nennenswerten Störungen im Verbrennungsablauf.

Gemäß den Merkmalen des Anspruches 2 ergibt sich eine Abschirmung des Zündstrahles gegenüber dem im Hauptbrennraum verdichteten Gemisch, wodurch eine Entflammung von Gemischteilen im Nahbereich des Zündstrahles weitgehend verhindert wird.

Durch die Merkmale des Anspruches 3 ist sichergestellt, daß gerade soviel Gemisch in den Hilfsbrennraum verdichtet werden kann, wie zur Erzeugung des Flächenbrandes notwendig ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den durch einen ebenen Kolbenboden begrenzten Hauptbrennraum der erfindungsgemäßen Brenn­ kraftmaschine in einem senkrechten Schnitt,

Fig. 2 den Hauptbrennraum aus Fig. 1, jedoch mit einem kalottenförmig gestalteten Kolben­ boden als kolbenseitige Brennraumbegrenzung.

Die Brennkraftmaschine nach Fig. 1 besitzt einen Zylinder 1 und einen Hubkolben 2. Der in OT-Stellung gezeigte Kolben 2 hat einen ebenen Kolbenboden 3, der zusammen mit einer Vertiefung in einem den Zylinder 1 abdeckenden Zylinderkopf 4 einen Hauptbrennraum 5 begrenzt. Im Zylinderkopf 4 befindet sich ein Hilfsbrennraum 6, der durch eine Überströmbohrung 7 mit dem Hauptbrennraum 5 verbunden ist. Die Überströmbohrung 7 ist konzentrisch zur Längsmittelachse 8 des Zylinders 1 ausgerichtet. Im Hilfsbrennraum 6 ist eine Zündkerze 9 angeordnet, welche das im Verdichtungstakt vom Hauptbrennraum in den Hilfsbrennraum verdichtete Kraftstoff-Luft-Gemisch ent­ zündet. Der unter hohem Druck und Geschwindigkeit aus dem Hilfsbrennraum austretende gebündelte Zündstrahl 10 schlägt auf einen der Überströmbohrung 7 gegenüberliegenden und durch eine Pfeillinie gekennzeichneten Oberflächenbereich des Kolbenbodens 3 auf und zerplatzt dabei in radial über den Kolbenboden 3 nach außen schießende Feuerlanzen 11. Um dabei eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Feuer­ lanzen 11 über der gesamten Kolbenbodenfläche zu er­ reichen, ist der besagte Oberflächenbereich als eine ebene, zur Strahlrichtung des Zündstrahles 10 orthogonal ver­ laufende Prallfläche 12 ausgebildet. Die von der Prall­ fläche 12 in Richtung der Zylinderwand vorschießenden Feuerlanzen 11 entzünden die durchlaufende verdichtende Kraftstoff-Luft-Schicht, so daß sich über dem Kolben­ boden 3 ein Flächenbrand bzw. Feuerschleier ausbildet, der Ausgangspunkt ist für die Entflammung des Gemisches im Hauptbrennraum 5. Gleichzeitig bildet der Feuerschleier eine Sperrschicht zwischen dem Feuersteg­ spalt 14 am Kolben 2 und dem darüber befindlichen Gemisch. Vom Feuerschleier aus erfolgt anschließend der Durchbrand des Gemisches vom Kolben 2 weg in Richtung des Zylinder­ kopfes 4. Da die Verbrennung bereits mit dem Vorschießen der Feuerlanzen 11 in Richtung Zylinderwand einsetzt, pflanzt sich die Flammenfront in die Vertiefung hinein mit einer zur zylinderkopfseitigen Begrenzung leicht vor­ gewölbten Kontur fort, wie durch die strichpunktierten Linien 13 dargestellt ist. Die Bewegung der Flammenfront gegen die zylinderkopfseitige Brennraumbegrenzung ver­ läuft dabei annähernd äquidistant. Hierdurch wird ver­ hindert, daß während der Verbrennung unverbranntes Ge­ misch in den Feuerstegspalt 14 verdichtet werden kann. Durch die großflächige Entflammung des Gemisches ergibt sich ein Verbrennungsablauf mit einer hohen Energieum­ setzungsrate, einer erhöhten Ausbrenngeschwindigkeit und damit verbunden einem steilen Druckanstieg während der Verbrennung.

Der im Zylinderkopf 4 ausgebildete Hilfsbrennraum 6 ist gegenüber dem Hauptbrennraum 5 durch ein in den Zylinder­ kopfboden eingesetztes topfförmiges Einsatzstück 15 be­ grenzt, das auch die Überströmbohrung 7 enthält. Dieses Einsatzstück 15 ist mit einem die Überströmöffnung 7 um­ gebenden und sich in Richtung des Kolbenbodens konzent­ risch zur Achse 8 erstreckenden Schutzrohr 16 ausgebildet.

Hierdurch wird der Zündstrahl 10 gegenüber dem noch un­ verbrannten Gemisch im Hauptbrennraum 5 bestmöglich ab­ geschirmt und eine vorzeitige Entflammung des Gemisches vermieden. Damit sich die Flammenfront im Hauptbrenn­ raum 5 ungestört fortbewegen kann, ist es besonders vor­ teilhaft, wenn dieser mit einer an die Kontur der Flammen­ front im wesentlichen angepaßten zylinderkopfseitigen Be­ grenzungswand ausgebildet ist, wodurch der Hauptbrenn­ raum 5 - im Querschnitt gesehen - die Form eines umge­ drehten Omegas erhält. Im Rahmen der Erfindung sind andere Formen des Hauptbrennraumes 5 denkbar, ohne daß hierdurch die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung beeinträchtigt werden.

Bezüglich einer raschen Entflammung des Gemisches und zur Erreichung möglichst hoher Durchbrenngeschwindigkeiten ist es beispielsweise vorteilhaft, wenn das Volumen (V _HB) des Hilfsbrennraumes 6 etwa das 0,01- bis 0,03fache des Kompressionsvolumens V _C des Hauptbrennraumes 5 be­ trägt. Dabei wird eine möglichst hohe Strömungsgeschwindig­ keit des aus dem Hilfsbrennraum 6 austretenden Zünd­ strahls 10 erzielt, wenn die Überströmbohrung einen Durch­ messer von 1 bis 3 mm hat und wenn diese in OT-Stellung des Kolbens 2 in einen Abstand "a" von etwa 4 bis 10 mm von der Prallfläche 12, 18 entfernt ist.

Das Ausführungsbeispiel in Fig. 2 unterscheidet sich von demjenigen der Fig. 1 nur darin, daß der Kolben 2 mit einem kalottenförmig ausgestalteten Kolbenboden 17 ver­ sehen ist. Hierdurch erhalten die von der Prallfläche 18 abgelenkten Feuerlanzen 11 einen zur Vertiefung ge­ richteten Verlauf, durch den eine verbesserte Umlenkung der Feuerlanzen 11 an der Brennraumbegrenzung erzielt wird.

Abweichend hiervon kann der Kolbenboden 3 auch mit einer omegaförmigen Mulde versehen sein, deren im Bereich der Zylinder-Längsmittelachse 8 liegende Erhebung als ebene Prallfläche ausgebildet ist.

Claims (3)

1. Gemischverdichtende Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf, der eine als Hauptbrennraum dienende Vertiefung besitzt, mit einem im Zylinderkopf angeordneten Hilfsbrennraum, in den eine Zündkerze vorsteht und der durch eine konzentrisch zur Zylinderlängsmittelachse ausgerichtete Überströmbohrung mit dem Hauptbrennraum verbunden ist, wobei durch die Überstrombohrung ein Teil des Kraftstoff-Luft-Gemisches aus dem Hauptbrennraum durch einen Kolben in den Hilfsbrennraum hineinverdichtet wird und nach erfolgter Zündung als Zündstrahl aus der Überströmbohrung austritt und auf eine dieser gegenüberliegenden, zur Strahlrichtung des Zündstrahls orthogonale Prallfläche des Kolbenbodens auftrifft, dadurch gekennzeichnet, daß die Überströmbohrung (7) mit einem Durchmesser im Bereich von 1 mm bis 3 mm ausgebildet ist,
und daß in OT-Stellung des Kolbens (2) die Mündung der Überströmbohrung (7) einen Abstand von 4 mm bis 10 mm von der Prallfläche (12, 18) hat.

2. Gemischverdichtende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Überströmbohrung (7) ein in Richtung des Hauptbrennraumes (5) sich erstreckendes Schutzrohr (16) vorgelagert ist.

3. Gemischverdichtende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen V _HB des Hilfsbrennraumes (6) etwa das 0,01- bis 0,03fache des Kompressionsvolumens V _C des Hauptbrennraumes (5) beträgt.