DE3931702A1 - Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder und einem in diesem Zylinder verschiebbaren Kolben, dessen Kolbendach zusammen mit dem Zylinder und einer dem Kolbendach in Richtung der Kolbenachse gegenüberliegenden Zylinderstirnwand einen Brennraum begrenzt, mit einer in den Brennraum münden­ den Kraftstoff-Einspritzeinrichtung und mit einem über eine Kolbenstange drehfest mit dem Kolben verbundenen, räumlichen Kurvengetriebe, welches die Hubbewegung des Kolbens unter Rotation des Kolbens um die Kolbenachse in eine Rotationsbewegung eines Abtriebsorgans umsetzt.

Bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen arbeitet der in dem Zylinder verschiebbare Kolben über eine Pleuelstange auf eine Kurbelwelle. Die Pleuelstange führt den Kolben drehfest bezogen auf die Kolbenachse. Aus der EP-B-02 14 255 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, deren Kolben fest mit einer in Richtung der Kolbenachse sich erstreckenden Kolbenstange verbunden ist. Die Kolbenstange wirkt auf ein räumliches Kurvengetriebe in Form einer axial beidseitig wirkenden Nockenbahn, an der Nockenfolger der Nockenstange geführt sind. Das Kurvengetriebe setzt die Hubbewegung des Kolbens in eine Rotationsbewegung einer Abtriebswelle um, wobei der Hubbewegung des Kolbens zugleich eine Rotationsbe­ wegung überlagert wird. Eine Variante einer solchen Brennkraftmaschine ist aus der DT-A-27 00 194 bekannt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, den Wirkungsgrad einer Brennkraftmaschine der vorstehend erläuterten Art zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Kolbendach wenigstens eine im wesentlichen exzent­ risch zur Kolbenachse angeordnete Vertiefung aufweist und daß die Einspritzrichtung der Kraftstoff-Einspritz­ einrichtung im Bereich der zur Zylinderstirnwand benach­ barten Totpunktstellung des Kolbens in die Vertiefung hinein gerichtet ist. Die Vertiefung bildet eine Art Verbrennungsraum. Der in diesem Verbrennungsraum gezün­ dete Kraftstoff liefert einen Drallimpuls, der die von dem Kurvengetriebe bei der Hubbewegung erzwungene Rotationsbewegung des Kolbens unterstützt und damit die an dem Abtriebsorgan, beispielsweise einer Abtriebswel­ le, verfügbare Leistung erhöht. Die exzentrische Anord­ nung der Vertiefung sorgt darüberhinaus für eine verbes­ serte Verwirbelung des Kraftstoff-Luftgemisches in dem durch Kolben und Zylinder begrenzten Brennraum.

Die Vertiefung in dem Kolbendach sollte so geformt sein, daß die Hauptausströmrichtung der bei Zündung des Kraftstoff-Luftgemisches sich ergebenden Brenngase angenähert in oder schräg zur Umfangsrichtung des Kolbendachs gerichtet ist. Das Kolbendach kann hierbei angenähert eben sein und exzentrisch zur Kolbenachse eine schräg zur Umfangsrichtung verlaufende, sackloch­ artige Vertiefung haben. In einer bevorzugten Variante, die auch nahezu tangential zur Umfangsrichtung gerich­ tete Brenngas-Hauptausströmrichtungen und damit eine optimale Ausnutzung des bei Zündung entstehenden Drall­ impulses erlaubt, ist vorgesehen, daß das Kolbendach wenigstens eine radial seitlich der Kolbenachse in Umfangsrichtung des Kolbendachs von einem Fußbereich aus ansteigende Rampe bildet, deren den Fußbereich in Richtung der Kolbenachse überragender Scheitelbereich die angenähert in oder schräg zur Umfangsrichtung des Kolbendachs offene Vertiefung auf der kolbenfernen Seite begrenzt. Alternativ dazu kann auch vorgesehen sein, daß das Kolbendach wenigstens eine radial seitlich der Kolbenachse in Umfangsrichtung des Kolbendachs abfallende Rampe bildet, deren Talbereich die angenähert in oder schräg zur Umfangsrichtung des Kolbendachs offene Vertiefung auf der kolbennahen Seite begrenzt. Die Vertiefung ist hier an einer quer zu der Rampe ansteigenden Stirn des Kolbendachs im Bereich des Rampentals vorgesehen, so daß die Rampe Leitflächen für die aus der Vertiefung ausströmenden Brenngase bildet.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, wenn die dem Kolbendach gegenüberliegende Zylinderstirnwand eine im wesentlichen bis auf die Vertiefung zur räumlichen Oberflächenform des Kolbendachs komplementäre räumliche Oberflächenform hat. Auf diese Weise kann das in der oberen Totpunktstellung verbleibende Totraumvolumen bis nahezu auf das verbleibende Volumen der Vertiefung vermindert werden, was die Verbrennungseigenschaften günstig beeinflußt.

Es versteht sich, daß die Hauptausströmrichtung der in der Vertiefung gezündeten Brenngase entgegen der Umfangs­ bewegungsrichtung des Kolbendachs gerichtet ist, um den Drallimpuls der gezündeten Brenngase ausnutzen zu können. Die Einspritzrichtung der Kraftstoff-Einspritz­ einrichtung verläuft zur Verbesserung der Verwirbelung in dem Brennraum zweckmäßigerweise schräg zur Brenngas- Hauptausströmrichtung der Vertiefung bezogen auf die der Zylinderstirnwand benachbarte Totpunktstellung des Kolbens.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer Brenn­ kraftmaschine gemäß der Erfindung, gesehen ent­ lang einer Linie I-I in Fig. 2;

Fig. 2 eine Draufsicht auf das Kolbendach des Kolbens der Brennkraftmaschine nach Fig. 1 und

Fig. 3 eine teilweise Schnittansicht einer Variante der Brennkraftmaschine nach Fig. 1.

Die in Fig. 1 dargestellte Brennkraftmaschine umfaßt einen Zylinder 1, in dem abgedichtet ein Kolben 3 in Richtung seiner mit der Zylinderachse zusammenfallenden Kolbenachse 5 verschiebbar geführt ist. Der Kolben 3 ist an seinem einen Ende durch ein Kolbendach 7 abge­ schlossen, dem in Richtung der Kolbenachse 5 eine Stirnwand 9 des Zylinders 1 gegenüberliegt. Der Zylinder 1, das Kolbendach 7 und die Zylinderstirnwand 9 begren­ zen zwischen sich einen Brennraum 11, der in Fig. 1 auf ein Minimum verringert ist, nachdem sich der Kolben 3 in der in Fig. 1 dargestellten Position in seiner der Stirnwand 9 benachbarten oberen Totpunktstellung befin­ det.

Der Kolben 3 ist über eine Kolbenstange 13 fest mit einem räumlichen Kurvengetriebe 15 verbunden, welches die in Richtung der Kolbenachse 5 hin- und hergehende Hubbewegung des Kolbens 3 über ein Zahnradgetriebe 17 in eine Rotationsbewegung einer Abtriebswelle 19 umsetzt. Das Kurvengetriebe 15 hat eine schräg zur Kolbenachse 5 verlaufende, ringförmig geschlossene Nockenbahn in Form einer Nut 21 eines fest mit dem Zylinder 1 verbundenen Gehäuses 23. In der Nut 21 sind mit der Kolbenstange 13 bezogen auf die Kolbenachse 5 drehfest verbundene Nockenfolger 25 verschiebbar geführt, die die Hubbewe­ gung des Kolbens 3 in eine der Hubbewegung überlagerte Rotationsbewegung eines Gleitkörpers 27 umsetzt. Der Gleitkörper 27 hat einen von der Kreisform abweichenden Querschnitt und ist in einem komplementären Eingangsteil des Getriebes 17 drehfest, aber axial verschiebbar, geführt. Einzelheiten eines solchen, lediglich als Beispiel genannten räumlichen Kurvengetriebes sind der EP-B-02 14 255 entnehmbar. Anstelle des beschriebenen Kurvengetriebes können Varianten benutzt werden, wie sie beispielsweise in der DE-A-27 00 194 beschrieben sind. Geeignet sind auch axial doppelt wirkende Taumel­ scheibengetriebe oder dergleichen, soweit das Kurvenge­ triebe der hin- und hergehenden Hubbewegung des Kolbens eine Rotationsbewegung überlagert.

Der Kraftstoff wird der vorstehend erläuterten Brenn­ kraftmaschine über eine Kraftstoff-Einspritzeinrichtung 31 zugeführt. Die Brennkraftmaschine umfaßt nicht näher dargestellte herkömmliche Einlaßventile und Auslaßventi­ le für die Steuerung des Arbeitszyklus. Bei den Ventilen kann es sich um herkönmliche nockenwellengesteuerte Ventile, um Schieberventile oder um Schlitze in der Wand des Zylinders 1 handeln, die vom Kolben 3 gesteuert werden.

Das Kolbendach 7 ist radial seitlich der Kolbenachse 5 mit einer von einem Fußbereich 33 in Umfangsrichtung des Kolbens 3 ansteigenden Rampe 35 versehen, deren Scheitelbereich 37 in eine Stufe des Kolbendachs 7 übergeht. Der Scheitelbereich 37 umgrenzt eine in der Rampe 35 exzentrisch zur Kolbenachse 5 ausgebildete und zu der vom Scheitelbereich 37 gebildeten Stufe offene Vertiefung 39. Die Vertiefung 39 bildet einen Verbren­ nungsraum mit einer im wesentlichen in Umfangsrichtung des Kolbendachs 7 verlaufenden Brenngas-Hauptausström­ richtung 41. Die Ausströmrichtung 41 verläuft entgegen­ gesetzt zu der vom Kurvengetriebe 15 der Hubbewegung des Kolbens 3 überlagerten Rotationsbewegung, so daß aus der Vertiefung 39 ausströmende Brenngase der Hubbe­ wegung des Kolbens 3 einen Drallimpuls überlagern, der von dem Kurvengetriebe 15 auf die Abtriebswelle 15 übertragen wird. Die Einspritzrichtung 43 der Kraft­ stoff-Einspritzeinrichtung 31 verläuft zur Ausströmrich­ tung 41 schräg geneigt. Da die aus der Vertiefung 39 ausströmenden Brenngase exzentrisch zur Kolbenachse 5 austreten, bewirken sie nicht nur einen auf den Kolben 3 übertragenen Drallimpuls, sondern sorgen auch für eine Verwirbelung der Brenngase in dem Brennraum und damit für eine verbesserte Verbrennung. Die Stirnwand 9 des Zylinders 1 ist der räumlichen Oberflächenform des Kolbendachs 7 einschließlich seiner Rampe 35 komplemen­ tär angepaßt, enthält also eine die Rampe 35 in der oberen Totpunktstellung des Kolbens 3 aufnehmende Aussparung. Das Totraumvolumen des Brennraums 1 in der oberen Totpunktstellung des Kolbens 3 ist damit minimal und beschränkt sich im wesentlichen auf die Vertiefung 39 in der Rampe 35.

Fig. 3 zeigt eine Variante der Brennkraftmaschine, die sich von der Ausführungsform der Fig. 1 und 2 im wesent­ lichen nur dadurch unterscheidet, daß anstelle einer über das Kolbendach ansteigenden Rampe eine rampenartige Vertiefung in dem Kolbendach vorgesehen ist. In Fig. 3 sind mit der Brennkraftmaschine der Fig. 1 und 2 funk­ tionsgleiche Komponenten mit den Bezugszahlen der Fig. 1 und 2 vermehrt um den Buchstaben a bezeichnet. Zur Erläuterung wird auf die Beschreibung der Fig. 1 und 2 Bezug genommen.

Der in den Zylinder 1a längs seiner Kolbenachse 5a verschiebbare Kolben 3a ist wiederum über seine Kolben­ stange 13a mit einem nicht naher dargestellten raumli­ chen Kurvengetriebe verbunden, welches die Hubbewegung des Kolbens 3a in eine Rotationsbewegung einer Abtriebs­ welle oder dergleichen umsetzt und zugleich der Hubbewe­ gung des Kolbens 3a eine Rotationsbewegung überlagert. Im Kolbendach 7a, welches zusanmen mit dem Zylinder 1a und der Stirnwand 9a des Zylinders 1a den Brennraum 11a begrenzt, ist radial seitlich der Kolbenachse 5a eine Aussparung 35a vorgesehen, die durch eine in Umfangs­ richtung des Kolbendachs 7a in den Kolben 3a hinein abfallende Rampe gebildet wird. Im Talbereich 37a der Rampe 35a schließt sich eine Stufe an, in der eine Vertiefung 39a zur Rampe 35a hin mündet. Die zur Kolben­ achse 5a exzentrische Vertiefung 39a bildet einen Verbrennungsraum, dem in der oberen Totpunktstellung (Fig. 3) des Kolbens 3a die Kraftstoff-Einspritzeinrich­ tung 31a gegenüberliegt. Aus der Vertiefung 39a austre­ tende Brenngase erzeugen einen auf den Kolben 3a wirken­ den Drallimpuls und sorgen für eine ausreichende Verwir­ belung der Brenngase in dem Brennraum 11a. Der Brennraum 11a hat in der in Fig. 3 dargestellten oberen Totpunkt­ stellung des Kolbens 3a minimales Volumen, wozu auch die zur räumlichen Oberflächengestalt des Kolbendachs 7a komplementäre Oberflächengestalt der Stirnwand 9a beiträgt. Die Hauptausströmrichtung der aus der Vertie­ fung 39a austretenden Brenngase verläuft in Umfangsrich­ tung des Kolbendachs 7a, jedoch mit schräg zur Stirnwand 9a gerichteter Komponente. Die Rampe 35a bildet hierbei eine in Umfangsrichtung des Kolbendachs 7a gekrümmte Leitfläche.

Bei den vorstehend erläuterten Ausführungsformen der Brennkraftmaschine erstreckt sich die Kolbenstange lediglich auf der von der Stirnwand des Zylinders abgewandten Seite. Alternativ kann sich die Kolbenstange aber auch beiderseits des Kolbens erstrecken, wie dies beispielsweise in der EP-B-02 14 255 erläutert ist. In einer solchen Ausführungsform erstreckt sich die Kolben­ stange durch den Brennraum hindurch und muß in der Zylinderstirnwand abgedichtet sein. Die Erfindung mindert hierbei auftretende Abdichtungsprobleme, da die aus der Vertiefung austretenden Brenngase tangential zur Kolbenstange geführt sind, wodurch die Belastung der Dichtung durch heiße Brenngase gemindert wird.

Claims (6)

1. Brennkraftmaschine,
mit wenigstens einem Zylinder (1; 1a) und einem in dem Zylinder (1; 1a) verschiebbaren Kolben (3; 3a), dessen Kolbendach (7; 7a) zusammen mit dem Zylinder (1; 1a) und einer dem Kolbendach (7; 7a) in Richtung der Kolbenachse (5; 5a) gegenüberliegenden Zylinder­ stirnwand (9; 9a) einen Brennraum (11; 11a) begrenzt,
mit einer in den Brennraum (11; 11a) mündenden Kraft­ stoff-Einspritzeinrichtung (31; 31a) und
mit einem über eine Kolbenstange (13; 13a) drehfest mit dem Kolben (3; 3a) verbundenen, räumlichen Kurvengetriebe (15), welches die Hubbewegung des Kolbens (3; 3a) unter Rotation des Kolbens (3; 3a) um die Kolbenachse (5; 5a) in eine Rotationsbewegung eines Abtriebsorgans (19) umsetzt, dadurch gekennzeichnet, daß
das Kolbendach (7; 7a) wenigstens eine im wesentli­ chen exzentrisch zur Kolbenachse (5; 5a) angeordnete Vertiefung (39; 39a) aufweist
und daß die Einspritzrichtung (43) der Kraftstoff- Einspritzeinrichtung (31; 3a) im Bereich der zur Zylinderstirnwand (9; 9a) benachbarten Totpunktstel­ lung des Kolbens (3; 3a) in die Vertiefung (39; 39a) hineingerichtet ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vertiefung (39; 39a) des Kolben­ dachs (7; 7a) einen Verbrennungsraum mit angenähert in oder schräg zur Umfangsrichtung des Kolbendachs (7; 7a) gerichteter Brenngas-Hauptausströmrichtung (41) bildet.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Kolbendach (7) wenigstens eine radial seitlich der Kolbenachse (5) in Umfangsrich­ tung des Kolbendachs (7) von einem Fußbereich (33) aus ansteigende Rampe (35) bildet, deren den Fußbe­ reich (33) in Richtung der Kolbenachse (5) überragen­ der Scheitelbereich (37) die angenähert in oder schräg zur Umfangsrichtung des Kolbendachs (7) offene Vertiefung (39) auf der kolbenfernen Seite begrenzt.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Kolbendach (7a) wenigstens eine radial seitlich der Kolbenachse (5a) in Umfangsrich­ tung des Kolbendachs (7a) abfallende Rampe (35a) bildet, deren Talbereich (37a) die angenähert in oder schräg zur Umfangsrichtung des Kolbendachs (7a) offene Vertiefung (39a) auf der kolbennahen Seite begrenzt.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderstirnwand (9; 9a) eine im wesentlichen bis auf die Vertiefung (39; 39a) zur räumlichen Oberflächenform des Kolben­ dachs (7; 7a) komplementäre räumliche Oberflächenform hat.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzrichtung (43) der Kraftstoff-Einspritzeinrichtung (31) schräg zur Brenngas-Hauptausströmrichtung (41) der Vertie­ fung (39) verläuft.