DE4020262C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben für eine gemischverdichtende Brennkraftmaschine gemäß Oberbegriff des Hauptanspruches.

Aus der DE-OS 15 76 001 ist ein Kolben einer gemischverdichtenden Brennkraftmaschine bekannt, welcher eine größere und eine kleinere Kolbenmulde aufweist. Diese beiden Kolbenmulden sind über einen Quersteg baulich voneinander getrennt, wobei dieser Quersteg eine Durchlaßöffnung besitzt, welche auch dann, wenn sich der Kolben im oberen Totpunkt befindet, einen Gasaustausch zwischen den beiden Teilbrennräumen ermöglicht. Diese Durchlaßöffnung ist jedoch derart angeordnet, daß die Brenngase des in dem kleineren Brennraum gezündeten Gemisches nur in im wesentlichen radialer Richtung in den größeren Brennraum überströmen können. Dieses bedeutet, daß noch unverbranntes Gemisch, welches sich im Bereich der Zylinderwandung, bzw. im Bereich zwischen Kolben und Zylinderanordnung (Feuerstegspalt) befindet, von dem in den größeren Einzelbrennraum übertretenden Strahl heißer Brenngase kaum erfaßt werden kann. Da aber gerade in diesen Bereichen ein relativ großes Verhältnis zwischen kühler Wandungsoberfläche und Volumen des in diesem Bereich befindlichen Gemisches vorliegt, - insbesondere dann, wenn der Kolben im Bereich des oberen Totpunktes sich befindet -, kommt es nur sehr zögernd oder überhaupt nicht zu einer Zündung des in den besagten Bereichen befindlichen Gemisches. Dies führt zwangsläufig zu einer relativ hohen Kohlenwasserstoffemission.

Bei einem, aus der DE-PS 4 65 592 bekannten Kolben ist der Brennraum der Brennkraftmaschine im Bereich des oberen Totpunktes durch einen auf dem Kolbenboden vorgesehenen Quersteg in zwei Einzelbrennräume unterteilt, wodurch eine Verbesserung der Zünd- und Durchbrenngeschwindigkeit des Gemisches sowie eine Erhöhung der spezifischen Leistung der Brennkraftmaschine erreicht wird. Hierzu ist es aber erforderlich, daß das Gemisch in jedem Einzelbrennraum über je eine separate Zündkerze gezündet wird. Neben der besonderen Ausgestaltung des Kolbens sind an einer konventionellen Brennkraftmaschine (mit nur einer Zündkerze) zusätzlich noch am Zylinderkopf Maßnahmen für die Aufnahme einer zweiten Zündkerze zu treffen, was mit einem erhöhten Bau- und Kostenaufwand verbunden ist. Derartige Kolben sind auch aus der DE-OS 26 47 091 und der US-PS 47 45 891 bekannt.

Aus der GB-PS 1 73 000 ist ein Kolben einer Dieselbrennkraftmaschine bekannt, auf dessen Boden zwei einen Raum umgreifende Zungen angeordnet sind, wobei auf die durch die beiden Zungenspitzen gebildete Durchtrittsöffnung eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung gerichtet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Kolben derart weiterzubilden, daß eine deutliche Reduzierung der Schadstoffemission, insbesondere der Kohlenwasserstoffemission erreicht wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Hauptanspruches gelöst.

Befindet sich der Kolben im oberen Totpunkt, so wird der Brennraum der Brennkraftmaschine in zwei Einzelbrennräume unterteilt, wobei durch den Durchlaß in dem Quersteg immer noch eine Verbindung geringen Querschnitts zwischen den beiden Einzelbrennräumen gegeben ist. Wird nun einige Grad vor dem oberen Totpunkt das Gemisch in einem Einzelbrennraum mittels einer Zündkerze gezündet, so kommt es in diesem Einzelbrennraum durch die entstehenden Verbrennungsgase zu einem schnellen Druckanstieg. Demzufolge bildet sich über die Durchlaßöffnung zu dem anderen Einzelbrennraum eine Strömung heißer Brenngase aus, deren Strömungsgeschwindigkeit relativ groß ist. Diese Gasströmung verursacht nun in dem anderen Einzelbrennraum eine Verwirbelung des dort vorgelagerten, aber noch nicht gezündeten Gemisches. Dadurch, daß die Durchlaßöffnung erfindungsgemäß im Bereich der Zylinderwandung vorgesehen ist, ist gewährleistet, daß die in dem einen Einzelbrennraum entstehenden heißen Brenngase in den anderen Einzelbrennraum auch im Bereich der Zylinderwandung überströmen können, wodurch zum einen die Zylinderwandung erwärmt wird und zum anderen wird durch diesen entlang der Zylinderwandung strömenden heißen Gasstrom in diesem Bereich befindliches noch nicht gezündetes Gemisch entflammt. Ferner entsteht dadurch, daß die Durchlaßöffnung im Bereich der Zylinderwandung liegt, in dem Einzelbrennraum, in den die heißen Brenngase einströmen, ein Drall, welcher eine zusätzliche Erhöhung der Durchbrenngeschwindigkeit verursacht. Insbesondere die Entflammung des Gemisches von der Zylinderwandung her führt zu einer deutlichen Reduzierung der Kohlenwasserstoffemission, da weniger an unverbranntem Gemisch in den Bereich zwischen Kolben und Zylinderwandung (Feuerstegspalt) gelangen kann. Mit dem erfindungsgemäßen Kolben wird erreicht, daß die Neigung zum Klopfen, d. h. zum unkontrollierten Zünden von Kraftstoffteilchen an den Stellen, die von der Flammenfront noch nicht erreicht wurden (insbesondere im Feuerstegspalt), stark reduziert ist. Es kann daher ein höheres Verdichtungsverhältnis gefahren werden, woraus letztlich ein verbesserter Wirkungsgrad resultiert. Auch kann auf klopfreduzierende Maßnahmen, wie z. B. Quetschspalten, welche die Schadstoffemission negativ beeinflussen, verzichtet werden. Durch die schnelle Umsetzung des Gemisches kann ferner der Zündzeitpunkt in Richtung spät verschoben werden, ohne daß die Verbrennung zu stark in den Expansionstakt verlagert werden würde. Mit der Verwendung eines erfindungsgemäßen Kolbens ist eine zweite Zündkerze für den zweiten Einzelbrennraum nicht mehr erforderlich, so daß eine Umrüstung konventioneller Brenn­ kraftmaschinen nur mit einem geringen baulichen Aufwand ver­ bunden ist.

Mit der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 6 ist eine vorteilhafte Dimensionierung der beiden Einzelbrennräume im Verhältnis zueinander aufgezeigt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den übrigen Unteransprüchen zu entnehmen.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines Ausführungs­ beispieles dargestellt.

Im einzelnen zeigt

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Kolben in einer Draufsicht und

Fig. 2 eine Schnittdarstellung der Fig. 1 längs der Linie II-II.

Fig. 1 zeigt in einer Draufsicht einen in einem Zylinder 1 einer gemischverdichtenden Brennkraftmaschine geführten Kolben 2. Auf dem Kolbenboden 3 ist ein Quersteg 4 angeordnet, welcher in der oberen Totpunktstellung des Kolbens 2 den durch Zylin­ derkopf 20 und Kolben 2 selbst gebildeten Brennraum in zwei Einzelbrennräume 6 und 7 unterteilt. In Fig. 2 ist zu sehen, daß der Kolben 2 sich momentan in seiner oberen Totpunktstel­ lung befindet. Im Bereich der Zylinderwandung 8 ist die Höhe des Quersteges 4 reduziert, so daß dadurch je eine Durchlaß­ öffnung 5 gebildet ist, über welche die beiden Einzelbrennräume 6 und 7 miteinander in Verbindung stehen. Die beiden Einzel­ brennräume 6 und 7 sind gebildet durch in den Kolbenboden 3 eingeformte Mulden 9 bzw. 10, wobei die Höhe der zylinderwandungsseitigen Muldenränder 11 bzw. 12 geringer ist, als die Höhe des Quersteges 4. Die Tiefe der beiden Mulden 9 und 10 ist im Bereich des Quersteges 4 am größten. In die Mulde 9 des Einzelbrennraumes 6 ragt eine im Zylinderkopf 20 ver­ schraubte Zündkerze 13. Ausgehend vom Randbereich des Quer­ steges 4 erstreckt sich in den Einzelbrennraum 6, in welchen die Zündkerze 13 hineinragt, je eine die Mulde 9 dieses Ein­ zelbrennraumes 6 umgreifende Zunge 14 bzw. 15, deren Höhe sich ausgehend von dem Quersteg 4 stetig verringert.

Die Größe der beiden Einzelbrennräume 6 und 7 ist so ausgelegt, daß der Einzelbrennraum 6 etwa 25% und der Einzelbrennraum 7 etwa 75% des gesamten Kompressionsvolumens der Brennkraftma­ schine (Brennraumvolumen im oberen Totpunkt) beträgt.

Während des Betriebes der Brennkraftmaschine wird nun zunächst das angesaugte Gemisch in den beiden Einzelbrennräumen 6 und 7 gleichmäßig verdichtet (die Gaswechselsteuerungsventile wurden der Übersichtlichkeit wegen in der Zeichnung nicht dargestellt). Kurz bevor der Kolben 2 in seine obere Totpunkt­ stellung gelangt, wird das Gemisch in dem Einzelbrennraum 6 über die Zündkerze 13 gezündet. Mit der Umsetzung des Kraft­ stoffgemisches kommt es nun zu einem Druckanstieg in dem Ein­ zelbrennraum 6. Da im Bereich des oberen Totpunktes die beiden Einzelbrennräume 6 und 7 nur über die beiden Durchlaßöffnungen 5 in Verbindung stehen - der Quersteg 4 mit den beiden Zungen 14 und 15 und der Zylinderkopf 20 selbst begrenzen einen nur ver­ gleichsweise minimalen Spalt 21 -, bildet sich nun über diese Durchlaßöffnungen 5 (Druckausgleich zwischen den beiden Ein­ zelbrennräumen 6 und 7) eine Strömung heißer Brenngase aus (Pfeile 16), welche mit einer hohen Geschwindigkeit in den Einzelbrennraum 7 eindringt, dort das vorgelagerte Gemisch verwirbelt und von der Zylinderwandung 8 her entzündet. Die beiden an den Quersteg 4 anschließenden Zungen 14 und 15 dienen ferner als Leitwände, an welchen entlang die heißen Brenngase in Richtung der beiden Durchlaßöffnungen 5 geführt werden. Durch die Wirbelbildung in dem Einzelbrennraum 7 wird das Ge­ misch mit einer relativ hohen Durchbrenngeschwindigkeit umge­ setzt. In dem Einzelbrennraum 7 treffen die beiden über die Durchlaßöffnungen 5 eingetretenen Gasströmungen an der Stelle 17 gegeneinander, wodurch sich zwei entgegengesetzt drehende Wirbel (Pfeile 18 und 19) ausbilden, welche die Durchbrennge­ schwindigkeit des Gemisches zusätzlich erhöhen.

Claims (8)

1. Kolben für eine gemischverdichtende Brennkraftmaschine mit einem auf dem Kolbenboden angeordneten, den Brennraum der Brennkraftmaschine im Bereich des oberen Totpunktes in zwei Einzelbrennräume unterteilenden Quersteg, wobei der Quersteg mindestens eine Durchlaßöffnung zur Verbindung der beiden Einzelbrennräume aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlaßöffnung (5) im Bereich der Zylinderwandung (8) vorgesehen ist.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlaßöffnung (5) im Bereich der Zylinderwandung (8) vorgesehen ist.

3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Quersteges (4) im Bereich der Zylinderwandung (8) reduziert ist.

4. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Einzelbrennräume (6 bzw. 7) durch Kolbenboden­ mulden (9 bzw. 10) gebildet sind, wobei die Höhe der zylinderwandungsseitigen Muldenränder (11 bzw. 12) geringer ist als die Höhe des Quersteges (4).

5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Quersteg (4) auf jeder Seite in je eine den die Zünd­ kerze (13) aufnehmenden Einzelbrennraum (6) umgreifende Zunge (14 bzw. 15) übergeht, wobei die Höhe der Zungen (14 bzw. 15) sich ausgehend von dem Quersteg (4) stetig verringert.

6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Quersteg (4) zu dem die Zündkerze (13) aufnehmenden Einzelbrennraum (6) hin abgeschrägt ist.

7. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des die Zündkerze (13) aufnehmenden Einzel­ brennraumes (6) etwa 20-30% und das des anderen Einzelbrenn­ raumes (7) etwa 80-70% des gesamten Kompressionsvolumens der Brennkraftmaschine beträgt.

8. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Tiefe der beiden Kolbenbodenmulden (9 bzw. 10) im Bereich des Quersteges (4) am größten ist.