DE4304658A1

DE4304658A1 - Reciprocating piston internal combustion engine with applied ignition and with combustible mixture formation in a mixing chamber offset from the working chamber

Info

Publication number: DE4304658A1
Application number: DE4304658A
Authority: DE
Inventors: Erich Tausend
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-02-16
Filing date: 1993-02-16
Publication date: 1994-08-18

Abstract

Reciprocating piston internal combustion engine with applied ignition and with combustible mixture formation in a mixing chamber offset from the working chamber, preferably for easily carburetted or gaseous fuels. The mixing chamber is arranged in the cylinder cover and the ignition elements centrally inside the said mixing chamber. Pure air is compressed in the working chamber and the fuel is fed into the mixing chamber during the compression phase; the energy required for formation of the combustible mixture is obtained from the working chamber. Due to the interaction of the mixing chamber elements: inlet edge (1) with release (3), neck ring (4) with neck edge (5) and turning ring (6) with guide casing (7) a loop-mix scavenging concentric with the cylinder axis is produced in the mixing chamber. The fuel is injected tangentially into the turning ring (6) during the compression phase. The mix scavenging begins at that instant when the air flow displaced from the swept volume gap (H) is applied as surrounding jet to the wall of the neck ring (4) and is deflected into the turning ring (6) by the guide casing (7). Due to the interaction of the piston control edge (21), the neck ring (4) with neck edge (5) and the guide edge (8), an aerodynamic control effect is produced which controls the start of mixing. The aim of the mixing grid (14) is to generate a micro-turbulence. The combustion reaction is intended to occur inside the central combustion zone (BZ) with the least possible wall contact. The aim is to ... Original abstract incomplete. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolben-Brennkraftmaschine der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art. Dabei wird im Ar beitshubraum nur reine Luft verdichtet, der Kraftstoff wird in einen von diesem Arbeitshubraum abgesetzten Mischraum entweder be reits gasförmig zugeführt oder flüssig zugeführt und in diesem Mischraum verdampft, wo ein Kraftstoff-Luft-Gemisch noch vor der Zündung gebildet wird und wo die Brennreaktion durch eine Funken- oder Glühzündung eingeleitet wird.The invention relates to a reciprocating internal combustion engine in the The preamble of claim 1 specified type only pure air is compressed, the fuel is in a mixing room separated from this working cubic space either be already supplied in gaseous or liquid form and in this Mixing room evaporates, where a fuel-air mixture is still in front of the Ignition is formed and where the burning reaction by a spark or Glow ignition is initiated.

Die Erfindung baut in den Bereichen Gemischbildung, Brennreaktion und Wärmedichtung auf Argumenten auf, welche bereits in der Druck schrift DE-PS 40 21 931 angeführt sind. Es werden daraus folgende Überlegungen übernommen:The invention builds in the areas of mixture formation, combustion reaction and heat seal based on arguments already in the print font DE-PS 40 21 931 are listed. It becomes the following Considerations taken:

a) optimal conditions for an engine combustion process are present when the fuel in molecular form is evenly in the combustion air is distributed,
b) the fuel should already be complete within the engine burn, i.e. without HC and CO residue,
c) during the firing reaction, the firing mixture should not have a wall parts come into contact whose temperature is significantly below the ignition temperature is.

Im Vorschlag dieser Druckschrift wird mit erheblichem mechanischen Aufwand der thermomotorische Arbeitszyklus in zwei Arbeitshubräume verlegt, wobei die Brenngemischbildung in einem gekühlten Arbeits hubraum und die Brennreaktion in einem heißen, nicht gekühlten Ar beitshubraum erfolgt, welcher mit ebenfalls äußerst aufwendigen Mitteln weitgehend wärmedicht gemacht ist. Aus der Funktionsdar stellung ist dabei ein vom Brennzentrum nach außen gegen die Zylin derwand extrem fallendes Temperaturniveau erkennbar. Mit Bezug auf die Beschreibung Sp. 8, Z. 44-61 und Fig. 8 dieser Druckschrift wird die Überlegung abgeleitet, eine wirksame Wärmedichtung nur mittels eines geordneten Strömungsprofils zu bewirken, etwa so, daß an der Brennraumwand eine möglichst turbulenzfreie Gasströmung erzwungen wird, welche nicht an der Brennreaktion beteiligt ist, während die Brennreaktion im Zentrum eines Brennraumes konzentriert wird - was prinzipmäßig in den Brennkammern von Gasturbinen realisiert ist. Wird dieses Prinzip mit konventioneller Mechanik, also mit nur einem Kolben und mit nur einem Arbeitshubraum, verbunden, dann führt dies zunächst zu der bereits bekannten Gattung von Brennkraft maschinen mit Vor- oder Wirbelkammer oder mit Brennmulde.In the proposal of this publication, there is considerable mechanical Effort of the thermomotive working cycle in two working cubicles relocated, the fuel mixture formation in a cooled work displacement and the burning reaction in a hot, non-cooled area Beitshubraum takes place, which is also extremely expensive Means is largely made heat-tight. From the functional diagram position is a from the burning center to the outside against the cylinder extremely falling temperature level can be seen. Regarding the description Col. 8, lines 44-61 and Fig. 8 of this document derived the idea of using an effective heat seal only to effect an orderly flow profile, such as that at the Combustion chamber wall forced a gas flow as turbulence-free as possible which is not involved in the burning reaction, while the Combustion reaction is concentrated in the center of a combustion chamber - which in principle realizes in the combustion chambers of gas turbines is. Is this principle with conventional mechanics, so with only one piston and connected to only one working displacement, then this initially leads to the already known type of internal combustion engine machines with ante or vortex chamber or with combustion bowl.

Nach dem Stand der Technik sind viele Vorschläge bekannt, wonach bei Hubkolben-Brennkraftmaschinen ein vom Arbeitshubraum abgesetz ter Nebenraum vorgesehen ist, in welchem wenigstens teilweise die Brenngemisch-Aufbereitung und die Brennreaktion stattfinden. Praktisch ausgeführt sind solche Konstruktionen fast nur bei Brennkraftmaschi nen mit Selbstzündung, also bei Dieselmotoren, und zwar je nach Wir kungsweise in der Form von Luftspeicher, Vor- und Wirbelkammer, nachfolgend zusammengefaßt als Vorkammer bezeichnet, welche in der Regel im Zylinderdeckel angeordnet sind, und Brennmulden im Kolben boden. Letztere erfüllen den Zweck, die Brennreaktion auf einen kleinen Raum zu konzentrieren, meist mit Hilfe eines durch beson dere Frischladungssteuerung erzeugten Potentialwirbels. Als Bei spiele dazu werden die Druckschriften DE-PS 31 16 638 und DE-OS 39 39 251 angeführt, weil hier durch zusätzlich eingesetzte Elemen te eine Drall- oder Turbulenzverstärkung angestrebt wird. Die Vorkammer unterscheidet sich dabei von der Brennmulde durch eine extreme Querschnittseinschnürung, wodurch zwischen Vorkammer und Hubraum Druckdifferenzen in der Größenordnung von 10% des Höchstdruckes erzwungen werden, wodurch hohe Überströmgeschwindig keiten mit intensiver Turbulenzbildung entstehen. Beispiele für solche Konstruktionen sind in den neueren Druckschriften DE-PS 28 05 133, DE-PS 28 51 784 und DE-PS 40 30 248 aufgezeigt. Als grund sätzliches Merkmal gilt hier: Der Kraftstoff wird in flüssigem Zustand in die Vorkammer eingespritzt, die Brenngemisch-Aufberei tung erfolgt maßgeblich durch strömungsmechanische Wirkung und die dazu notwendige Energie wird aus der Druckdifferenz zwischen Hubraum und Vorkammer und zwischen Vorkammer und Hubraum entnom men. Die Überströmquerschnitte sind dabei für beide Durchström richtungen gleich. Mit dem Vorschlag nach Druckschrift DE-AS 23 47 135 wird mittels eines Verdrängungsansatzes am Kolben, wel cher in OT-Position in die Vorkammer eintaucht, eine für beide Durchströmrichtungen verschiedene Querschnittscharakteristik er zwungen. In der Wirkung ähnlich ist der Vorschlag nach Druckschrift DE-PS 31 16 638.Many proposals for what are known in the art in reciprocating piston internal combustion engines, one offset from the working stroke ter adjoining room is provided, in which at least partially Fuel mixture preparation and the burning reaction take place. Practically Such constructions are carried out almost only with internal combustion engines with auto-ignition, i.e. with diesel engines, depending on us example in the form of air storage, antechamber and vortex chamber, hereinafter referred to collectively as the prechamber, which in the Usually arranged in the cylinder cover, and combustion bowls in the piston ground. The latter serve the purpose of the burning reaction to one to concentrate small space, usually with the help of a special their fresh charge control generated potential vortex. As with games are the publications DE-PS 31 16 638 and DE-OS 39 39 251 cited because here additional elements are used a swirl or turbulence enhancement is sought. The antechamber differs from the combustion bowl an extreme cross-sectional constriction, which means between antechamber and displacement pressure differences in the order of 10% of the Maximum pressure can be enforced, making high overflow speed with intense turbulence. examples for such constructions are in the newer publications DE-PS 28 05 133, DE-PS 28 51 784 and DE-PS 40 30 248 shown. As a reason An additional characteristic applies here: the fuel is in liquid Condition injected into the pre-chamber, the fuel mixture preparation tion is largely due to fluid mechanics and the energy required for this is derived from the pressure difference between Remove displacement and prechamber and between prechamber and displacement men. The overflow cross sections are for both flows directions the same. With the proposal according to DE-AS 23 47 135 is by means of a displacement approach on the piston, wel immersed in the prechamber in the TDC position, one for both Flow directions different cross-sectional characteristics forced. The proposal according to the publication is similar in effect DE-PS 31 16 638.

Für diese Wirkung noch deutlicher ausgeprägt sind die Konstruktio nen aus den als Beispiele zu nennenden Druckschriften DE-AS 25 14 479, DE-OS 26 50 663, DE-OS 28 09 968, DE-PS 29 08 756 und DE-PS 37 06 592. Hier wird mittels einer Wand, einer Nase oder eines zy lindrischen Ansatzes am Kolben eine Nebenkammer kurzzeitig, d. h. im OT-Bereich, vom Arbeitshubraum getrennt, zu dem Zweck, höhere Druckdifferenzen zwischen beiden Räumen und damit intensivere Strö mungsturbulenzen zur Kraftstoff-Aufbereitung zu erzeugen.The construction is even more pronounced for this effect NEN from the documents to be mentioned as examples DE-AS 25 14 479, DE-OS 26 50 663, DE-OS 28 09 968, DE-PS 29 08 756 and DE-PS 37 06 592. Here is a wall, a nose or a zy Lindisch approach to the piston a secondary chamber for a short time, d. H. in the OT area, separated from the working displacement, for the purpose of higher Pressure differences between the two rooms and thus more intense flows generating turbulence for fuel processing.

Die letztgenannten Konstruktionen werden teilweise auch für Brenn kraftmaschinen mit Fremdzündung vorgeschlagen, und zwar im Zusam menhang mit der Schichtladung. Dabei wird prinzipmäßig in einem vom Hubraum abgesetzten Nebenraum ein fettes Kraftstoff-Luft- Gemisch angesammelt, verdichtet und gezündet und während der Ex pansionsphase erfolgt eine Nachverbrennung mit Luftüberschuß im Hubraum. In den Druckschriften DE-OS 23 41 821 und DE-OS 24 02 507 wird vorgeschlagen, den Brennraum mittels einer gelochten Scheibe koaxial zu unterteilen, wobei der Nebenraum mit fettem Gemisch und Zündung auf der Deckelseite liegt.The latter constructions are sometimes used for Brenn Proposed spark ignition engines, together connection with the stratified charge. In principle, it is in one a rich fuel-air Mixture accumulated, compressed and ignited and during the ex expansion phase there is an afterburning with excess air in the Displacement. In the publications DE-OS 23 41 821 and DE-OS 24 02 507 it is proposed to use a perforated disc in the combustion chamber to subdivide coaxially, the adjoining room with a rich mixture and ignition is on the cover side.

Criticism of the prior art mentioned

Bei allen Vorschlägen, welche mittels Querschnittseinschnürungen eine erzwungene Strömungsenergie zur Brenngemisch-Aufbereitung ausnutzen, entsteht ein beträchtlicher Wirkungsgradverlust einer seits infolge Druckverlustes, andererseits dadurch, daß durch die intensive ungeordnete Gasbewegung der Wärmeübergang an die Begren zungswände erhöht wird. Bei Brennkraftmaschinen mit Selbstzündung erfolgt die Kraftstoff-Aufbereitung zum Teil noch während der Brennreaktion; die Teilung der Brennreaktion in Vorverbrennung (mit Luftmangel) und Nachverbrennung (mit Luftüberschuß) ist nicht optimal. In der Regel wird das ganze Volumen der Vorkammer mit Brenngas ausgefüllt, so daß Brennreaktionen auch in Wandnähe ablaufen, was Wärmeverlust und Schadstoffbildung begünstigt. Wo turbulenzverstärkende Einsätze innerhalb von Vorkammer oder Brenn mulde verwendet werden, sind diese stets von Brenngas beaufschlagt, wodurch ebenfalls Prozeßwärme verlorengeht. With all proposals, which are by means of cross-sectional constrictions a forced flow energy for fuel mixture preparation exploit, there is a considerable loss of efficiency partly due to pressure loss, on the other hand that by the intense disordered gas movement the heat transfer to the limbs walls is increased. In internal combustion engines with auto-ignition some of the fuel is processed during the Burning reaction; the division of the combustion reaction into pre-combustion (with lack of air) and afterburning (with excess air) not optimal. Usually the entire volume of the antechamber filled with fuel gas, so that burning reactions also near the wall expire, which favors heat loss and pollutant formation. Where turbulence-increasing inserts within the prechamber or combustion trough are used, they are always exposed to fuel gas, whereby process heat is also lost.

Brennkraftmaschinen nach dem Stand der Technik, welche mit ventil gesteuerten Vor- oder Nebenkammern oder mit Hilfskolben arbeiten, z. B. nach Druckschrift DE-AS 22 01 847, DE-OS 39 08 288, DE-OS 41 09 712 bleiben wegen des prinzipverschiedenen Einsatzes der mecha nischen Mittel außer Betracht.Internal combustion engines according to the prior art, which with valve controlled antechambers or secondary chambers or work with auxiliary pistons, e.g. B. according to document DE-AS 22 01 847, DE-OS 39 08 288, DE-OS 41 09 712 remain due to the fact that mecha is used in different ways African means out of consideration.

Der Erfindung liegt folgende Aufgabe zugrunde:The invention is based on the following object:

Es sind Mittel und Verfahren zur Brenngemischbildung und zum Brenn prozeß für vorzugsweise gasförmige oder leicht vergasbare Kraft stoffe unter Anwendung von Fremdzündung zu entwickeln, welche eine vollständige und weitgehend schadstofffreie motorische Verbrennung mit optimalem Wirkungsgrad auch bei großen Luftüberschußwerten λ<2 ermöglichen; damit verknüpft ist die Forderung nach einer wirksamen Wärmedichtung an den von Hochtemperatur-Brenngas be rührten Zonen.They are means and methods for the formation of a fuel mixture and for fuel process for preferably gaseous or easily gasified power to develop substances using spark ignition, which a Complete and largely pollutant-free engine combustion with optimal efficiency even with large excess air values enable λ <2; associated with this is the demand for one effective heat seal on the be of high temperature fuel gas stirred zones.

Die Lösung der Aufgabe geht aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 hervor. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.The solution to the problem comes from the characterizing part of the Claim 1 out. Advantageous further developments are described in the subclaims.

Anhand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfin dung nachstehend erläutert. Es zeigtAn embodiment of the invention is shown in the drawings explained below. It shows

Fig. 1: Längsschnitt durch den Zylinderkopf mit Mischraum; Fig. 1: longitudinal section through the cylinder head with mixing chamber;

Fig. 2: vergrößerte Halbschnittdarstellung des Mischraumes; Fig. 2: enlarged half-sectional view of the mixing room;

Fig. 3: Prinzipdarstellung der Wirkungsweise; Fig. 3: schematic representation of the mode of action;

Fig. 4: Weiterbildung zur Ausführung des Mischgitters; Fig. 4: Training for the execution of the mixing grid;

Fig. 5: Profilschnitt zur Weiterbildung des Mischgitters; Fig. 5: Profile section for continuing the mixing grid;

Fig. 6: Zylinderquerschnitt mit Prinzipdarstellung der Ladungsspülung; Fig. 6: Cylinder cross section with a basic illustration of the charge flushing;

Fig. 7: Vorschlag für eine Kolbenausführung. Fig. 7: Proposal for a piston design.

Zu Fig. 1 und Fig. 2: Der Mischraum ist aus folgenden funktions bezogenen Elementen zusammengesetzt: Einlaufring mit Einlauf kante 1 und Einlauffreistellung 3, Halsring 4 mit ausgeprägter Halskante 5, Wendering 6, welcher vorteilhaft gleichzeitig als Mischraumdeckel mit einer Einrichtung zur Aufnahme des Zündele mentes ausgebildet ist, Leitmantel 7 mit ausgeprägter Leitkante 8 und Mischgitter 14 innerhalb des Leitmantels. Alle Mischraumele mente sind konzentrisch zur Zylinderachse angeordnet.To Fig. 1 and Fig. 2: The mixing room is composed of the following function-related elements: inlet ring with inlet edge 1 and inlet clearance 3 , neck ring 4 with a pronounced neck edge 5 , turning ring 6 , which is advantageously simultaneously as a mixing chamber cover with a device for receiving the Zündele mentes is formed, guide jacket 7 with a pronounced leading edge 8 and mixing grid 14 within the guide jacket. All mixing elements are arranged concentrically to the cylinder axis.

Bei der Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung ist zwischen Hub raum und Mischraum keine raumteilende Querschnittseinschnürung vorgesehen. Hier wird kurz vor der OT-Position zwischen dem Hub raumringspalt H und dem Mischraum 3, 4, 6 ein Quetsch-Druckgefälle erzeugt, welches jedoch größenordnungsmäßig nur etwa 1% bis 2% des maximalen Verdichtungsdruckes erreicht. Aus diesem Quetsch-Druck gefälle wird die Energie für die Brenngemisch-Aufbereitung bezogen. Die für diesen Vorgang maßgebende relative Volumenverschiebung er gibt sich aber erst kurz vor der OT-Position, wenn das Volumen des Hubraumes H kleiner wird als das Mischraumvolumen. Als der für die Mischraumspulung charakteristische Durchströmquerschnitt - als Einlaufquerschnitt bezeichnet - ist der Ringspalt zu be trachten, welcher zwischen der Einlaufkante 1 und dem Kolbenboden 20 mit der Einlaufspalthöhe h_e gebildet wird. Deshalb wird die Einlaufkante 1 als Mischraumabgrenzung definiert.In the internal combustion engine according to the invention, no space-dividing cross-sectional constriction is provided between the stroke space and the mixing space. Here, just before the TDC position between the stroke space gap H and the mixing space 3 , 4 , 6, a crushing pressure drop is generated, which, however, only reaches about 1% to 2% of the maximum compression pressure. The energy for the fuel mixture preparation is obtained from this crushing pressure drop. The relative volume shift that is decisive for this process occurs only shortly before the TDC position, when the volume of the displacement H becomes smaller than the mixing space volume. As the flow cross-section characteristic of the mixing chamber rinsing - referred to as the inlet cross-section - the annular gap is to be considered, which is formed between the inlet edge 1 and the piston crown 20 with the inlet gap height h _e . For this reason, the leading edge 1 is defined as a mixing room boundary.

Zur Funktionsbeschreibung anhand der Zeichnung Fig. 3 ist nur die Kolbenposition im Bereich OT±30° Kurbelwellendrehung von Bedeutung.For the functional description based on the drawing in FIG. 3, only the piston position in the region TDC ± 30 ° crankshaft rotation is important.

Position Fig. 3a: Im Wendering 6 befindet sich eine gasförmige Kraftstoffladung in gleichmäßiger Ringverteilung, je nach Quali tät des verwendeten Kraftstoffes mehr oder weniger mit Luft vor gemischt, jedoch mit einem überkritisch hohen Kraftstoffanteil. Die Hublage des Kolbens 20 ist so, daß das Hubraumvolumen H zwischen Zylinderwand und Einlaufkante 1 bereits kleiner ist als das Mischraumvolumen innerhalb der Einlaufkante, daß jedoch die Einlaufspalthöhe h_e noch größer ist als die Steuerkantenhöhe h_k. Die aus dem Hubraum H verdrängte Luft strömt zwischen der Steuer kante 21 und der Halskante 5 unter spitzem Winkel zur Zylinder achse als Kegelmantelstrahl in den Mischraum, jedoch so, daß die Stromlinien des Strahlkernes noch innerhalb der Leitkante 8 lie gen. Für diese Arbeitsphase wird vorausgesetzt, daß sich der Ring strahl an der Einlaufkante 1 und an der Halskante 5 sowie an der Steuerkante 21 von der Begrenzungswand ablöst, also mit der Charakteristik eines Freistrahles in den Mischraum strömt. Der Druck innerhalb des Mischraumes ist weitgehend gleichmäßig verteilt, so daß eine wesentliche Verschiebung der Kraftstoffladung nicht zu standekommt. Der Strahlwinkel wird in dem Maße steiler, also mehr zum Halsring 4 gerichtet, als das Spalthöhenverhältnis h_e/h_k kleiner wird.Position Fig. 3a: In the turning ring 6 there is a gaseous fuel load in a uniform ring distribution, depending on the quality of the fuel used, more or less mixed with air, but with a supercritically high fuel content. The stroke position of the piston 20 is such that the displacement volume H between the cylinder wall and the inlet edge 1 is already smaller than the mixing space volume within the inlet edge, but that the inlet gap height h _{e is} still greater than the control edge height h _k . The air displaced from the displacement H flows between the control edge 21 and the neck edge 5 at an acute angle to the cylinder axis as a conical jacket jet in the mixing chamber, but such that the streamlines of the jet core are still within the leading edge 8. For this work phase, it is assumed that the ring jet on the leading edge 1 and on the neck edge 5 and on the control edge 21 detaches from the boundary wall, that is to say with the characteristic of a free jet flows into the mixing chamber. The pressure within the mixing chamber is largely evenly distributed so that a substantial shift in the fuel load does not occur. The beam angle is steeper to the extent that it is directed more towards the neck ring 4 than the gap height ratio h _e / h _k becomes smaller.

Position Fig. 3b: Der Kolben ist weiter gegen OT gerückt, das Spalthöhenverhältnis h_e/h_k ist jetzt kleiner als 1, der durch den Einlaufspalt h_e in den Mischraum strömende Luftstrahl ist durch die Wirkung der Steuerkante 21 so steil aufgerichtet, daß ein Teil des Luftstrahles durch die Wirkung der Leitkante 8 abge spalten und in den Wendering 6 gelenkt wird. Dies hat zur Folge, daß der Turbulenzkeil zwischen Luftstrahl und Halsring 4 kleiner wird - die Wirbel werden in Richtung Wendering 6 abgesaugt - und daß sich dann der Luftstrahl an den Halsring 4 anlegt und sich angenähert parallel zur Zylinderachse ausrichtet. Jetzt be aufschlagt der Strahlkern die Außenseite des Leitmantels 7 und es wird der größte Teil des Strahlquerschnittes in den Wendering 6 gelenkt. Das Anlegen des Luftstrahles an den Halsring 4 erfolgt dabei nicht synchron mit der Kolbenbewegung, sondern viel schnel ler: Es wird ein Schalteffekt erzeugt, welcher die Mischraumspü lung einleitet. Dabei wird ein Druckgefälle aufgebaut von der Leitkante 8 über den Wendering 6 zur Zünd- und Brennzone Z, wo bei der Leitmantel 7 den Druckausgleich über den Wendering 6 und über das Mischgitter 14 erzwingt. Die Kraftstoffladung wird aus dem Wendering 6 in den Stautrichter vor dem Mischgitter 14 verdrängt und dort auf eine große Zahl von Durchströmöffnungen verteilt. Die Zerteilung der Kraftstoffladung in eine Vielzahl von Einzelstrahlen bewirkt eine intensive und schnelle Mischung mit der hinter dem Mischgitter 14 in der Misch-Brennzone BZ ge stauten Frischluft zu einem zündfähigen Kraftstoff-Luft-Gemisch. Die in den Einzelstrahlen enthaltene linear gerichtete kinetische Energie wird hinter dem Mischgitter (in der Strömungsrichtung betrachtet) umgesetzt in die Form von Mikroturbulenz.Position Fig. 3b: The piston has moved further towards TDC, the gap height ratio h _e / h _k is now less than 1, the air jet flowing through the inlet gap h _e into the mixing chamber is raised so steeply by the action of the control edge 21 that a Split part of the air jet by the action of the leading edge 8 and is directed into the turning ring 6 . The consequence of this is that the turbulence wedge between the air jet and neck ring 4 becomes smaller - the vortices are sucked off in the direction of turning ring 6 - and that the air jet then contacts the neck ring 4 and aligns itself approximately parallel to the cylinder axis. Now be the beam core hits the outside of the guide jacket 7 and it is the majority of the beam cross section is directed into the turning ring 6 . The application of the air jet to the neck ring 4 does not take place synchronously with the piston movement, but much faster: A switching effect is generated which initiates the mixing room rinsing. In this case, a pressure gradient is built up from the leading edge 8 via the turning ring 6 to the ignition and combustion zone Z, where the pressure compensation via the turning ring 6 and the mixing grille 14 is enforced in the guide jacket 7 . The fuel charge is displaced from the turning ring 6 into the accumulation funnel in front of the mixing grille 14 and is distributed there to a large number of flow openings. The division of the fuel charge into a large number of individual jets brings about an intensive and rapid mixing with the fresh air stowed behind the mixing grid 14 in the mixing / combustion zone BZ to form an ignitable fuel / air mixture. The linearly directed kinetic energy contained in the individual jets is converted behind the mixing grid (viewed in the direction of flow) into the form of microturbulence.

Position Fig. 3c: Der Kolben befindet sich in seiner OT-Lage. Der Gemischstrom hat die Zündzone erreicht, wo frühestens zu die sem Zeitpunkt die Gemischzündung einsetzt. Als Zündquelle ist eine Funken- oder alternativ vorteilhafter eine Glühzündung vor gesehen. Die für die Mischraumspülung erforderliche Strömungs energie steht nur so lange zur Verfügung, als Gasvolumen aus dem Hubraumspalt H verdrängt wird. Position Fig. 3c: The piston is in its TDC position. The mixture flow has reached the ignition zone, where the mixture ignition begins at the earliest at this time. A spark or alternatively more advantageous glow ignition is seen as the ignition source. The flow energy required for purging the mixing chamber is only available as long as the gas volume is displaced from the displacement gap H.

Der erfindungsgemäß angestrebte Ablauf der Brennreaktion beinhal tet aber die Voraussetzung, daß die vorher eingeleitete Spülströ mung noch kurzzeitig nach Durchlaufen der OT-Position erhalten bleibt. Die dazu notwendige Antriebsenergie stammt zum Teil aus der Trägheitsenergie des linear bewegten Gasstromes, maßgeblich aber aus dem Energiepotential des räumlich-ringförmigen Halswirbels 4w, welcher während der Hauptspülphase (Position Fig. 3b) in der Hals ringzone aufgebaut wird. Dieser Halswirbel 4w bewirkt auch, daß das vom Mischgitter 14 abströmende Gemisch im Mischraumzentrum konzentriert wird.However, the course of the combustion reaction aimed for according to the invention includes the prerequisite that the flushing flow previously initiated is retained for a short time after passing through the TDC position. The drive energy required for this comes in part from the inertial energy of the linearly moving gas stream, but largely from the energy potential of the spatial ring-shaped cervical vertebra 4 w, which is built up in the neck ring zone during the main purging phase (position FIG. 3 b). This cervical vertebra 4 w also causes the mixture flowing out of the mixing grid 14 to be concentrated in the center of the mixing room.

Position Fig. 3d: Der Kolben bewegt sich von seinem OT-Punkt weg, das ist die Phase der Energieumsetzung. Hier ist das erfindungs gemäß angestrebte optimale Schichtungsprofil eingezeichnet: Die Zünd- und Hauptbrennzone liegt zentral unmittelbar über der Kolbenkrone 22, am Halsring 4 liegt eine nicht-brennaktive Gas schicht an, die obere Grenze der Brennzone berührt nicht das Mischgitter 14, der Raum innerhalb des Wenderinges 6 etwa von der Staukrümmung 10 bis zum Mischgitter 14 soll grundsätzlich brenngasfrei bleiben.Position Fig. 3d: The piston moves away from its TDC point, that is the phase of energy conversion. Here, the optimal stratification profile according to the invention is drawn in: the ignition and main combustion zone is centrally located directly above the piston crown 22 , on the neck ring 4 there is a non-combustible gas layer, the upper limit of the combustion zone does not touch the mixing grille 14 , the space inside the The turning ring 6, for example from the bend in the baffle 10 to the mixing grille 14, should in principle remain free of fuel gas.

Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung sind folgende Problembereiche von Bedeutung:In connection with the task solution according to the invention The following problem areas are of importance:

1. Fuel supply, fuel quality, compression ratio

Der Kraftstoff wird unabhängig von seiner Qualität erfindungsge mäß mit tangentialer Einströmrichtung in den Wendering 6 einge bracht. Die dadurch aufgezwungene Rotationsbewegung um die Zylin derachse bewirkt, daß sich die Kraftstoffladung innerhalb des Wen deringes 6 konzentriert und nicht vorzeitig durch das Mischgitter 14 in die Zündzone gelangt. In flüssiger Form eingebrachter Kraft stoff (Benzin-Benzol, Äthanol) müssen innerhalb des Wenderinges 6 verdampfen, bevor die Mischspülung einsetzt. Es ist vorteilhaft, flüssigen Kraftstoff mittels Luft einzublasen, weil dadurch eine stärkere Rotationsbewegung und eine schnellere Verdampfung erreicht wird. Das Mindestvolumen des Wenderinges 6 richtet sich nicht nur nach den strömungsmechanischen Anforderungen, sondern auch nach der Dichte des Kraftstoffgases (-Dampfes). Demnach wird für CH₄ oder extrem für H₂ ein größeres Wenderingvolumen benötigt als für Benzin-Benzol. Das stöchiometrische Volumen-Mischungsverhältnis ist dafür maßgebend, ob bereits im Wendering 6 eine Vormi schung mit Luft erfolgen soll.Regardless of its quality, the fuel is introduced according to the invention with a tangential inflow direction into the turning ring 6 . The rotation movement thereby forced around the cylinder axis causes the fuel charge to concentrate within the ring 6 and does not get prematurely through the mixing grid 14 into the ignition zone. Fuel introduced in liquid form (petrol-benzene, ethanol) must evaporate within the turning ring 6 before the mixed rinsing starts. It is advantageous to blow in liquid fuel by means of air, because this results in a stronger rotational movement and faster evaporation. The minimum volume of the turning ring 6 depends not only on the fluid-mechanical requirements, but also on the density of the fuel gas (vapor). Accordingly, a larger turning ring volume is required for CH ₄ or extremely for H ₂ than for gasoline-benzene. The stoichiometric volume mixing ratio is decisive for whether a premixing with air should already take place in the turning ring 6 .

Das für den Mischungs- und Brennprozeß erforderliche Mischraum volumen bestimmt maßgebend das erreichbare Verdichtungsverhältnis. Bleibt zunächst die Kraftstoffqualität unberücksichtigt, dann gilt bezüglich eines optimalen Wirkungsgrades die Forderung nach einem möglichst hohen Verdichtungsverhältnis, woraus sich der Zwang nach einer sorgfältigen Mischraumauslegung ergibt. Es müssen ferner für den Wendering 6 temperaturregelnde Einrichtungen - z. B. äußere Kühlflächen - berücksichtigt werden, damit flüssig eingebrachter Kraftstoff rückstandfrei und ohne Partikelbildung verdampft und eine Selbstzündung ausgeschlossen ist. Wenn das Kraftstoff-Luft- Volumenverhältnis im Wendering 6 bis zum Mischgitter 14 über dem Explosionsgrenzwert liegt, wäre das Verdichtungsverhältnis be züglich der Kraftstoffqualität nicht begrenzt. Ein selbstzündfähi ges Gemisch entsteht erst nach dem Durchströmen des Mischgitters. Im Hinblick auf bestmöglichen Wirkungsgrad wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Leistungsregelung nur über die Kraftstoffdosie rung zubewirken. Wird vorausgesetzt, daß in der Zündzone Z eine Glühzündung vorgesehen ist und die nichtgekühlte Kolbenkrone 22 eine Temperatur im Bereich der Zündtemperatur erreicht, dann wäre auch ein sehr mageres Gemisch mit λ<2 noch gut zündbar und brenn bar, womit aber nur ein kleiner Leistungsbereich geregelt werden kann. Das Brennverfahren gemäß der Erfindung unterscheidet sich von bekannten Brennverfahren - wo ein im gesamten Brennraum ver teiltes Gemisch von einer kleinen Zündquelle aus gezündet werden muß - dadurch, daß sich ein konzentrierter Gemischstrom - eine Gemischwolke - in die Zündzone hineinbewegt (Fig. 3c). Je nach zu geführter Kraftstoffmenge wird diese Gemischwolke mit einem λ-Wert 0,8 bis ca. 2 kürzer oder länger sein, womit ein größerer Leistungsregelbereich ermöglicht wird.The mixing chamber volume required for the mixing and firing process crucially determines the compression ratio that can be achieved. If fuel quality is not taken into account at first, then the highest possible compression ratio applies with regard to optimal efficiency, which results in the need for a careful design of the mixing room. There must also be 6 temperature regulating devices for the turning ring - e.g. B. external cooling surfaces - are taken into account so that liquid fuel evaporates without residue and without particle formation and self-ignition is excluded. If the fuel-air volume ratio in the turning ring 6 to the mixing grille 14 is above the explosion limit value, the compression ratio would not be limited with respect to the fuel quality. A self-ignitable mixture only arises after flowing through the mixing grid. With regard to the best possible efficiency, it is proposed according to the invention to effect the power control only via the fuel metering. If it is assumed that a glow ignition is provided in the ignition zone Z and the uncooled piston crown 22 reaches a temperature in the region of the ignition temperature, then a very lean mixture with λ <2 would still be easily ignitable and combustible, which regulates only a small power range can be. The combustion process according to the invention differs from known combustion processes - where a mixture distributed throughout the combustion chamber must be ignited from a small ignition source - in that a concentrated mixture flow - a mixture cloud - moves into the ignition zone ( FIG. 3c). Depending on the amount of fuel to be supplied, this mixture cloud with a λ value of 0.8 to approx. 2 will be shorter or longer, which enables a larger power control range.

2. Preparation of fuel mixture

Die zur Brenngemisch-Aufbereitung benötigte Energie stammt von dem aus dem Hubraum-Ringspalt H in den Mischraum verdrängten Gasvolu men, wobei Gasmenge und Druckpotential ohne nachteilige Auswir kung auf andere Betriebswerte erfindungsgemäß nur in sehr engen Grenzen beeinflußbar sind. Daraus ergibt sich die Aufgabe, den Strömungsweg vom Einlaufspalt h_e bis zum Mischgitter 14 möglichst verlustarm auszulegen und das Mischgitter so auszubilden, daß das vor dem Mischgitter (in Strömungsrichtung betrachtet) vorhandene Energiepotential hinter dem Mischgitter innerhalb einer möglichst kurzen Wegstrecke in eine Mikroturbulenz umgesetzt wird. Das zur Verfügung stehende Phasenintervall beträgt ca. 20° bis höchstens 30° Kurbelwellendrehung. Im Wendering 6 muß die an der Mischraum wand anliegende Spülströmung um ca. 180° in das Mischraumzentrum umgelenkt werden. Unter Berücksichtigung der erforderlichen Strö mungsquerschnitte, einer möglichst verlustarmen Umlenkung und des notwendigen Mischstromquerschnittes ist der Wendering 6 radial erweitert. Diese radiale Raumversetzung ist - wie unter 1) beschrie ben - auch vorteilhaft für die Kraftstoffspeicherung.The energy required for the preparation of the fuel mixture comes from the gas volume displaced from the annular space H into the mixing chamber, the amount of gas and pressure potential without adverse effect on other operating values according to the invention being able to be influenced only within very narrow limits. This results in the task of designing the flow path from the inlet gap h _e to the mixing grille 14 with as little loss as possible and designing the mixing grille in such a way that the energy potential in front of the mixing grille (viewed in the direction of flow) behind the mixing grille is converted into microturbulence within the shortest possible distance . The available phase interval is approximately 20 ° to a maximum of 30 ° crankshaft rotation. In the turning ring 6 , the flushing flow against the wall of the mixing room must be deflected by approximately 180 ° into the center of the mixing room. Taking into account the required flow cross sections, a low-loss deflection and the necessary mixed flow cross section, the turning ring 6 is expanded radially. This radial displacement is - as described under 1) ben - also advantageous for fuel storage.

Die Funktion des Leitmantels 7 besteht darin, den Spülgasstrom weitgehend verlustarm in den Wendering 6 umzuleiten und die ent gegengesetzt gerichteten Gasströme zu trennen. Die Stauseite ist in der Form eines stark gewölbten Ringflügels mit einer Leitkante 8, mit einer inneren konvexen Stirnwölbung 9 und einer äußeren konkaven Staukrümmung 10 ausgebildet. An der Wendeseite ist ein Leitwulst 12 zur Strömungsführung vorgesehen, dargestellt in Fig. 2.The function of the guide jacket 7 is to divert the purge gas flow largely without loss into the turning ring 6 and to separate the gas flows directed in the opposite direction. The storage side is designed in the form of a strongly curved ring wing with a leading edge 8 , with an inner convex end curvature 9 and an outer concave storage curvature 10 . A guide bead 12 for flow guidance is provided on the turning side, shown in FIG. 2.

Alternativ wird vorgeschlagen, zur Verbesserung der Strömungsfüh rung innerhalb des Wenderinges 6 Ringleitflächen einzusetzen. Zur Erzeugung der Mischturbulenz wird der Spülgasstrom mit der Kraftstoffladung am Mischgitter 14 auf eine große Fläche mit vie len Durchströmöffnungen (Anzahl größer als 100 bei Kreislöchern) verteilt. Dabei ist zugrundegelegt, daß der Durchmesser der Misch wirbel und die Eindringtiefe des Einzelstrahles in den Mischraum etwa proportional ist dem Durchström-Kreisquerschnitt. Dabei muß berücksichtigt werden, daß das Verhältnis Gesamtdurchströmquer schnitt/Mantelfläche des Mischgitters maßgebend ist für das Mischungsverhältnis Kraftstoffgas/Luft. Die Mischgitterstruktur ist demnach an die Qualität des verwendeten Kraftstoffes gebunden. Bei der Ausführung nach Fig. 2 sind die Mischgitteröffnungen in Form von Lochreihen 15 hergestellt, welche längs der Kegelmantel linien 15a verlaufen. Bei der Ausführung nach Fig. 4 sind Durch strömschlitze 16 längs der Kegelmantellinien vorgesehen. Es ist vorteilhaft, wenn die Durchströmöffnungen an der Einlaufseite aus gerundet oder alternativ angeschrägt sind. Zum Zweck einer zusätz lichen Beeinflussung des Mischprozesses und des Mischungsverhält nisses wird eine Querbelüftung von der Art vorgeschlagen, daß am Leitmantel 7 im Bereich der Staukrümmung 10 jeweils zwischen den Lochreihen 15a oder zwischen den Durchströmschlitzen 16 Quer luftöffnungen 11 vorgesehen werden, was im Vorschlag nach Fig. 4 dargestellt ist.Alternatively, it is proposed to use 6 ring guide surfaces to improve the flow guidance within the turning ring. To generate the mixing turbulence, the purge gas stream with the fuel charge on the mixing grille 14 is distributed over a large area with many flow openings (number greater than 100 for circular holes). This is based on the fact that the diameter of the mixing vortex and the depth of penetration of the single jet into the mixing chamber is approximately proportional to the flow cross-section. It must be taken into account that the ratio of the total flow cross-section / lateral surface of the mixing grill is decisive for the mixing ratio of fuel gas / air. The mixing grid structure is therefore linked to the quality of the fuel used. In the embodiment of Fig. 2, the mixing grid openings in the form of rows of holes 15 are made, which lines along the conical surface 15 a run. In the embodiment according to FIG. 4, flow slots 16 are provided along the conical surface lines. It is advantageous if the throughflow openings on the inlet side are rounded or alternatively beveled. For the purpose of additionally influencing the mixing process and the mixing ratio, cross ventilation is proposed of the type that 16 transverse air openings 11 are provided on the guide jacket 7 in the region of the baffle bend 10 between the rows of holes 15 a or between the throughflow slots 16 , which in the proposal Fig. 4 is shown.

3. Switching effect

Der erfindungsgemäße Gemischbildungs- und Brennprozeß ist nur un ter der Voraussetzung für den Motorbetrieb brauchbar, wenn der Be ginn der Mischspülung konstruktiv festlegbar ist. Wie bereits zur Wirkungsweise nach Fig. 3 beschrieben wurde, erfolgt dieses "Ein schalten" dadurch, daß sich die Spülströmung innerhalb eines kur zen Zeitintervalles an den Halsring 4 anlegt. Die Festlegung die ser Schaltphase bezüglich der Kurbelwellenstellung bestimmt nicht nur den Zündzeitpunkt sondern auch die Spülluftmenge. Die maßge bende Bedingung für diesen Effekt besteht darin, daß der in den Mischraum eintretende Luftstrom von der Einlaufkante 1 weg die Charakteristik eines Freistrahles hat, welcher nur durch die Steu erkante 21 am Kolben richtungsgesteuert wird. Diese Strahlcharak teristik wird durch die Einlauffreistellung 3 bewirkt. Die wich tigste Einflußgröße für die Phasenlage des Schalteffektes ist mit der Höhe h_k der Steuerkante 21 am Kolben gegeben. Außerdem haben noch die folgenden Konstruktionsdaten einen Einfluß auf den Schalt effekt (mit Bezugnahme auf Fig. 2): Die Ausprägung der Einlaufkan te 1 durch eine flache Auskehlung 2, das Durchmesserverhältnis Einlaufkante 1/Steuerkante 21, das Durchmesserverhältnis Steuerkante 21/Halskante 5, das Durchmesserverhältnis Steuerkante 21/Leitkante 8, die Wölbung des Halsringes 4 sowie der Totpunktabstand h₁ zwischen Leitkante 8 und Steuerkante 21. Eine Verkleinerung des Abstandsmaßes h₁ oder eine stärkere Hals ringwölbung 4 bewirken z. B. eine Vorverschiebung des Schalteffek tes. Die Halskante 5 ist bezüglich der Steuerkante 21 so ange legt, daß das Spaltmaß a in jeder Kolbenposition größer ist als die Einlaufspalthöhe h_e. Die Wölbung der Kolbenkrone 22 ist so gestaltet, daß sich der Einlaufstrahl an der Steuerkante 21 ablöst.The mixture formation and combustion process according to the invention is only useful under the prerequisite for engine operation if the start of the mixed flushing can be determined constructively. As has already been described for the mode of operation according to FIG. 3, this "switch on" takes place in that the flushing flow applies itself to the neck ring 4 within a short time interval. The determination of this switching phase with respect to the crankshaft position not only determines the ignition timing but also the amount of purge air. The dimensional condition for this effect is that the air flow entering the mixing chamber away from the leading edge 1 has the characteristic of a free jet, which is only controlled by the control edge 21 on the piston. This beam characteristic is brought about by the entry exemption 3 . The most important influencing variable for the phase position of the switching effect is given by the height h _{k of} the control edge 21 on the piston. In addition, the following design data also have an influence on the switching effect (with reference to FIG. 2): The design of the inlet edge 1 by a flat groove 2 , the diameter ratio of inlet edge 1 / control edge 21 , the diameter ratio of control edge 21 / neck edge 5 , the Diameter ratio of control edge 21 / leading edge 8 , the curvature of the neck ring 4 and the dead center distance h ₁ between leading edge 8 and control edge 21 . A reduction in the distance h ₁ or a stronger neck arch 4 cause z. B. a pre-shift of the switching effect. The neck edge 5 is placed with respect to the control edge 21 so that the gap dimension a is larger in each piston position than the inlet gap height h _e . The curvature of the piston crown 22 is designed so that the inlet jet detaches at the control edge 21 .

4. Ignition shift

Für die Brenngemischbildung steht nur ein Kurbelwellendrehweg von ca. 20° bis OT zur Verfügung. Andererseits soll die Zündung nicht vor OT einsetzen. Diese Zeitspanne wird erfindungsgemäß dadurch überbrückt, daß eine bestimmte Wegstrecke zwischen der Mischzone - dem Mischgitter 14 - und der Zündzone Z konstruktiv vorgegeben wird. Bei einer Drehzahl von 3000 U/min entsprechen z. B. 18° Kur belwellendrehwinkel der Zeit von 1 ms; mit einer geschätzten mitt leren Gemischgeschwindigkeit von 10 m/s = 10 000 mm/s ergäbe sich ein relativer Gemischweg von 10 mm/18° also ca. 0,55 mm/1° Kur belwellendrehung. Mit einem realen Abstand von 15 mm zwischen Mischzone und Zündzone ergäbe sich eine Zündverschiebung von etwa 25° Kurbelwellendrehung. Mit der berechtigten Annahme, daß die Spülstromgeschwindigkeit weitgehend proportional ist der Drehzahl, wäre der "relative Gemischweg" eine drehzahlunabhängige Größe; die Zündverschiebung wäre nur abhängig von der Querschnittsausle gung und von der Länge der Strömungswege, wesentlich vom Abstand Mischzone-Zündzone. Eine Verkürzung der Zündverschiebung ist ein fach dadurch zu erreichen, daß die Zündzone näher zum Mischgitter versetzt wird. Zur Vergrößerung der Zündverschiebung muß der Wen dering mit dem Mischgitter 14 axial nach außen versetzt werden, wodurch sich allerdings eine Vergrößerung des Mischraumvolumens und folglich eine Minderung des Verdichtungsverhältnisses ergibt. Ein anderer Vorschlag geht dahin, daß in der Kolbenkrone 22 eine Mulde 23 eingesenkt ist und die Zündzone Z jenseits der OT-Linie in diese Mulde verlegt wird (Fig. 1).There is only a crankshaft rotation of approx. 20 ° to TDC available for the fuel mixture formation. On the other hand, the ignition should not start before TDC. This period of time is bridged according to the invention in that a certain distance between the mixing zone - the mixing grid 14 - and the ignition zone Z is predetermined. At a speed of 3000 rpm correspond to e.g. B. 18 ° Kur belwell rotation angle of time of 1 ms; with an estimated mean mixture speed of 10 m / s = 10,000 mm / s, this would result in a relative mixture path of 10 mm / 18 °, i.e. approx. 0.55 mm / 1 ° course of belwell rotation. With a real distance of 15 mm between the mixing zone and the ignition zone, there would be an ignition shift of about 25 ° crankshaft rotation. With the justified assumption that the purge flow speed is largely proportional to the speed, the "relative mixture path" would be a speed-independent variable; the ignition shift would only depend on the cross-sectional design and the length of the flow paths, essentially on the distance between the mixing zone and the ignition zone. A shortening of the ignition shift is easy to achieve by moving the ignition zone closer to the mixing grill. To increase the ignition shift the Wen dering with the mixing grid 14 must be axially displaced outwards, but this results in an increase in the mixing chamber volume and consequently a reduction in the compression ratio. Another proposal is that a recess 23 is sunk in the piston crown 22 and the ignition zone Z is moved beyond this TDC line into this recess ( FIG. 1).

4. Temperature profile

Bestandteil der Aufgabenstellung ist auch die Forderung nach einer weitgehenden Wärmedichtung, nicht nur zur Anhebung des Wirkungs grades, sondern auch als Voraussetzung für einen Verbrennungsab lauf möglichst ohne Schadstoffbildung. Dabei liegt der Gedanke zu grunde, einen Verlust an Prozeßwärme nur durch eine "innere" Iso lierung weitgehend zu verhindern, etwa dadurch, daß das Hochtempe ratur-Brenngas nicht auf Wandteile trifft, deren Temperatur wesent lich unterhalb der Gemisch-Zündtemperatur liegt und daß die Wand teile, welche nicht durch Gleitbewegungen beansprucht sind, mög lichst nicht gekühlt werden, das wären der Zylinderdeckel mit Mischraum und der Kolbenboden. Da die Zylinderwand gleitbeansprucht ist, muß hier die Temperatur auf ca. 150°C gesenkt werden. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Brennzone zentral unmit telbar über dem Kolbenboden - das ist die Kolbenkrone 22 - konzen triert, eingezeichnet in Fig. 3d. Es wird zwingend vorausgesetzt, daß die Brennreaktion das Mischgitter 14 nicht mehr berührt, also auch nicht in den Wendering 6 zurückschlägt, und daß am Halsring 4 eine inaktive Gasschicht - die nicht an der Brennreaktion beteiligt ist - anliegt. In der in Fig. 3d gezeigten Arbeitsphase hat die Brennzone BZ nur kolbenseitig einen Wandkontakt. Durch geeignete Formgebung und Werkstoffauswahl könnte an dieser Stelle - also in der mittleren Zone des Kolbenbodens mit Kolbenkrone 22 - eine Temperatur von 800 bis 1000 K eingehalten werden, was bezüg lich der Zündbeschleunigung sogar vorteilhaft wäre. Damit ergibt sich zwangsläufig ein steiles radiales Temperaturgefälle.Part of the task is also the demand for extensive heat sealing, not only to increase the degree of efficiency, but also as a prerequisite for a combustion process with as little pollution as possible. The idea is based, largely to prevent a loss of process heat only through an "inner" insulation, for example by the fact that the high-temperature fuel gas does not hit wall parts whose temperature is significantly lower than the mixture ignition temperature and that Parts of the wall that are not subject to sliding movements should not be cooled, that would be the cylinder cover with the mixing chamber and the piston crown. Since the cylinder wall is subject to sliding loads, the temperature must be reduced to approx. 150 ° C here. According to the method according to the invention, the combustion zone is centrally located directly above the piston crown - this is the piston crown 22 - shown in FIG. 3d. It is imperative that the firing reaction no longer touches the mixing grid 14 , that is to say does not strike back into the turning ring 6 , and that an inactive gas layer - which is not involved in the firing reaction - is present on the neck ring 4 . In the working phase shown in FIG. 3d, the combustion zone BZ has wall contact only on the piston side. With a suitable shape and choice of material, a temperature of 800 to 1000 K could be maintained at this point - i.e. in the middle zone of the piston crown with piston crown 22 - which would even be advantageous in terms of ignition acceleration. This inevitably results in a steep radial temperature gradient.

In der OT-Position des Kolbens, Fig. 3c, ist zwischen Zylinder deckel und Kolbenboden eine Totraum-Spalthöhe von ca. 1% bis 1,5% des Hubweges vorgesehen. Das in diesem Totraumspalt und an der Einlauffreistellung 3 eingeschlossene Gasvolumen ist nicht am Brennprozeß beteiligt, sondern erfüllt den Zweck eines Wärme-Iso lierpolsters. In der Anfangsposition der Expansionsphase, Fig. 3d, wird dieses nichtaktive Gasvolumen vom Brenngas durch den Hubraum spalt gegen die Zylinderwand verdrängt, wo es im weiteren Verlauf des Expansionshubes den Zweck einer Wärme-Isolierschicht erfüllt. Eine Vermischung der Gasschichten wird weitgehend verhindert, wenn der Verdrängungsvorgang möglichst turbulenzarm erfolgt.In the TDC position of the piston, Fig. 3c, a dead space gap height of about 1% to 1.5% of the stroke is provided between the cylinder cover and the piston crown. The enclosed in this dead space gap and at the inlet exemption 3 gas volume is not involved in the burning process, but fulfills the purpose of a heat insulating pad. In the initial position of the expansion phase, Fig. 3d, this inactive gas volume is displaced by the fuel gas through the displacement gap against the cylinder wall, where it serves the purpose of a heat insulation layer in the further course of the expansion stroke. Mixing of the gas layers is largely prevented if the displacement process takes place with as little turbulence as possible.

Das Brennverfahren gemäß der Erfindung setzt voraus, daß ca. 30% bis 40% der Hubraumladung nicht am Brennprozeß beteiligt sind. Dieser Ladungsanteil könnte auch aus einem mit CO₂ und H₂O-Dampf angereicherten Gas, z. B. aufbereitetes Abgas, bestehen, wenn die ses Inertgas zu Beginn des Verdichtungshubes an der Zylinderwand und die Frischluft in der Hubraummitte geschichtet ist.The combustion process according to the invention requires that approximately 30% to 40% of the displacement are not involved in the combustion process. This portion of the charge could also be from a gas enriched with CO ₂ and H ₂ O vapor, e.g. B. processed exhaust gas exist when the inert gas at the beginning of the compression stroke on the cylinder wall and the fresh air is stratified in the center of the displacement.

6. Working cycle, charge change

Das Misch- Brennverfahren gemäß der Erfindung kann sowohl im 2-Takt- als auch im 4-Takt-Betrieb eingesetzt werden.The mixing-firing method according to the invention can both in 2-stroke and 4-stroke operation can be used.

Für den 4-Takt-Betrieb gelten folgende Einschränkungen:The following restrictions apply to 4-stroke operation:

a) considering the space requirements of the mixing room, 4 Ven tiles are used;
b) the cylinder cover would be less thermally resilient and there would be additional dead space;
c) Mass forces act in every second TDC position of the piston in the direction of the head on the piston crown without gas back pressure, from which considerable stress problems arise for the piston crown;
d) with the given mixed-firing process can only about 2/3 the fresh charge can be used in the burning process; the better fill The degree of performance in the 4-stroke process could prey are principally not exploited; he would probably be even disadvantageous with regard to NO formation.

Daraus ergibt sich zwingend: Das 2-Taktverfahren mit Schlitzspü lung hat Vorrang mit der GegenbegründungThis necessarily means: The 2-stroke process with slot flush lung takes precedence with the counter reasoning

a) simple, undisturbed lid structure;
b) in every TDC position, the piston crown is loaded by gas pressure;
c) a higher power yield can be expected.

Mit Rücksicht auf mehrere Einflußfaktoren muß ein vergleichsweise großes Bohrung-/Hub-Verhältnis von mindestens 1,4 bis 1,5 ange wendet werden. Von maßgebendem Einfluß sindConsidering several influencing factors, one must be comparative large bore / stroke ratio of at least 1.4 to 1.5 be applied. Are of decisive influence

a) the process-dependent diameter ratios of the mixing area mes in terms of cylinder diameter;
b) the process-related radial temperature gradient, which a larger radial distance from the firing center to the cylinder wall demands;
c) the displacement flushing process.

Mit Bezug auf das in der Druckschrift DE-PS 40 21 931 vorgeschla gene Spülsystem wird auch bei der vorliegenden Erfindung eine sym metrische Umkehrspülung angewendet, Schemadarstellung Fig. 6. Dabei sind die Einlaß- und Auslaßöffnungen in der Zylinderwand symmetrisch in zwei Einlaß- und zwei Auslaßsektoren angeordnet, es ist ein Strömungsprofil vorgesehen in der Form, daß in Hubraum mitte der Frischluftstrom gegen den Zylinderkopf und der Abgas strom an der Zylinderwand spiralförmig zu den Auslaßöffnungen ge richtet ist. Damit sich ein derartiges Strömungsprofil ausbilden kann, ist ein Bohrung-/Hub-Verhältnis größer als 1 erforderlich. Damit wird erfindungsgemäß angestrebt, daß sich gegen Ende des Verdichtungshubes eine weitgehend turbulenzarme Ladungsschichtung mit einem zentralen Frischluftkern und einer Inertgasschicht an der Zylinderwand einstellt. Als Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, gegen Ende der Hubraumspülung durch zusätzliche Einlaßöffnungen ein Inertgas, z. B. rückgekühltes Abgas, annähernd tangential in den Hubraum einzublasen.With reference to the flushing system proposed in DE-PS 40 21 931, a symmetrical reverse flushing is also used in the present invention, schematic representation of FIG. 6. The inlet and outlet openings in the cylinder wall are symmetrical in two inlet and two Exhaust sectors arranged, there is a flow profile provided in the form that in the middle of the displacement of the fresh air flow against the cylinder head and the exhaust gas flow on the cylinder wall is directed towards the outlet openings GE. In order for such a flow profile to be formed, a bore / stroke ratio greater than 1 is required. The aim of the invention is that a largely turbulence-free charge stratification with a central fresh air core and an inert gas layer occurs on the cylinder wall towards the end of the compression stroke. As a further development of the invention, it is proposed that an inert gas, for. B. recooled exhaust gas, approximately tangentially in the displacement.

7. Piston structure

Als Mittel zur erfindungsgemäßen Aufgabenlösung wird eine neue Kolbenstruktur vorgeschlagen, da mit einer konventionellen Kolben form insbesondere die mit der Aufgabenlösung verbundenen thermi schen Probleme nicht beherrscht werden können. Die nach Zeichnung Fig. 7 vorgeschlagene Kolbenbauweise beruht großenteils auf bereits bekannten Vorschlägen nach dem Stand der Technik, z. B. Druck schrift DE-PS 40 21 931. Der Kolben ist aus dem Kolbenboden 20, 21, 22, aus dem Dichtkranz 24, aus einem Kreuzstück mit Stützkern 25, Pleuellager 26 und Gleitschuhen 27 und aus einem Kolbenhemd 28 zusammengesetzt. Mit Rücksicht auf die thermische Belastung wird für den Kolbenboden ein hitzefester Eisen- oder Stahlwerkstoff oder alternativ vorteilhafter wegen der geringeren Dichte ein Ke ramikwerkstoff vorgesehen. Für Kolbenboden und Zylinderdeckel wird eine Kegelform vorgeschlagen, um Beanspruchungen zu vermeiden, welche sich aus der Verformungsdifferenz infolge des extremen Tem peraturgefälles ergeben würden. Ein Kegelwinkel zwischen 120° und 140° wird dabei bevorzugt. Diese Kegelform erweist sich auch be züglich der Hubraumspülung als vorteilhaft. Für das Kreuzstück wird ein Al-Werkstoff vorgesehen. Der große Abstand zwischen Dicht kranz 24 und Pleuellager 26 wird damit begründet, daß die Gleit schuhlaufbahn zur Querkraftabstützung unterhalb der Spülschlitze liegen muß, damit einerseits eine optimale Gleitschuhschmierung und andererseits sparsamste Ölbenetzung über der Spülschlitzzone erreicht wird. Das Kolbenhemd ist, wie nach dem Stand der Technik bekannt, aus Blech hergestellt und in einer Dichtkranznut einge hängt. Es hat die Aufgabe, in OT-Position die Spülschlitze zu schließen und ist mit Einrichtungen ausgestattet, welche eine Öl abstreifwirkung haben. Es muß zwingend vermieden werden, daß mit dem Frischluftstrom Schmieröl in den Hubraum transportiert wird. Die größere Kolbenhöhe, welche sich aus dieser Bauweise ergibt, ist insofern vertretbar, weil - wie beschrieben - funktionsbedingt ein Bohrung-/Hub-Verhältnis von ca. 1,4 bis 1,5 vorgeschlagen ist, womit sich kleinere Hubwege ergeben.A new piston structure is proposed as a means for the task solution according to the invention, since the thermal problems associated with the task solution, in particular, cannot be mastered with a conventional piston form. The proposed piston design according to drawing Fig. 7 is largely based on already known proposals according to the prior art, for. B. Druckschrift DE-PS 40 21 931. The piston is composed of the piston crown 20 , 21 , 22 , from the sealing ring 24 , from a cross piece with a support core 25 , connecting rod bearing 26 and slide shoes 27 and from a piston skirt 28 . With regard to the thermal load, a heat-resistant iron or steel material or alternatively more advantageously a ceramic material is provided for the piston crown because of the lower density. A conical shape is proposed for the piston crown and cylinder cover in order to avoid stresses which would result from the deformation difference as a result of the extreme temperature gradient. A cone angle between 120 ° and 140 ° is preferred. This cone shape also proves to be advantageous with regard to the displacement flushing. An aluminum material is provided for the cross piece. The large distance between the sealing ring 24 and the connecting rod bearing 26 is justified by the fact that the sliding shoe raceway for shear force support must lie below the flushing slots, so that on the one hand optimal sliding shoe lubrication and on the other hand the most economical oil wetting is achieved over the flushing slot zone. The piston shirt is, as known from the prior art, made of sheet metal and hangs in a sealing ring groove. It has the task of closing the flushing slots in the TDC position and is equipped with devices which have an oil-wiping effect. It must be avoided that lubricating oil is transported into the displacement with the fresh air flow. The greater piston height, which results from this design, is justifiable because - as described - due to its function, a bore / stroke ratio of approx. 1.4 to 1.5 is suggested, which results in shorter stroke distances.

Wie nach dem Stand der Technik bekannt, werden die Kolbenteile mittels eines Zentralbolzens miteinander verspannt, wobei ein Fe derelement zum Ausgleich der Wärmedehnung zwischengelegt ist. Als Alternativausführung wird vorgeschlagen, den Kolbenboden 20 mit dem Dichtkranz 24 aus einem hitzefesten Werkstoff einteilig herzustellen.As known from the prior art, the piston parts are clamped together by means of a central bolt, a Fe derelement being interposed to compensate for the thermal expansion. As an alternative embodiment, it is proposed to manufacture the piston crown 20 with the sealing ring 24 in one piece from a heat-resistant material.

Als Weiterbildung der Erfindung wird im Zusammenhang mit der Kraft stoffzuführung vorgeschlagen, daß das Element für die Kraftstoff zuführung an der Kopfseite mit den Einblasöffnungen in der Plan ringzone des Wenderinges 6 angeordnet und der Einblasstrahl tan gential zum Plankreis ausgerichtet ist.As a development of the invention in connection with the fuel supply is proposed that the element for the fuel supply on the head side with the injection openings in the plan ring zone of the turning ring 6 is arranged and the injection jet is aligned tan gential to the face circle.

Claims

1. Reciprocating internal combustion engine with spark ignition and with combustion mixture formation in a mixing space remote from the working stroke space, preferably for gaseous and easily gasifiable fuels, where this mixing space is accommodated in the cylinder cover and the elements for spark or glow ignition are arranged within this mixing space, wherein the fuel during the compression phase, either gaseous or liquid, is introduced into the mixing chamber for the purpose of evaporation, internal heat insulation by means of gas stratification being used, and facilities for favoring the fuel-air mixture are provided in the mixing chamber, and those for fuel mixture formation required energy towards the end of the compression phase is obtained from the volume displacement between the displacement and the mixing space, only a part of the displacement fresh charge being used for the combustion reaction and a device for flow control provided on the piston and the K is composed of several parts, characterized by the features

a) for fuel mixture formation in the mixing chamber a concentric with respect to the cylinder axis reversing mixed rinse is provided, the inlet edge ( 1 ) with the inlet clearance ( 3 ), the neck ring ( 4 ) with the embossed neck edge ( 5 ) for the construction means relative to the neck ring ( 4 ) it radially widened turning ring ( 6 ), the guide jacket ( 7 ) and within this guide jacket between the turning ring ( 6 ) and the ignition zone (Z) the mixing grill ( 14 ) and on the piston the control edge ( 21 ) are provided ( Fig. 1, Fig. 2),
b) the gas volume required for the reverse mixed purging comes from the displacement ring (H) between the cylinder wall and the inlet edge ( 1 ), the inlet cross-section to the mixing chamber between the inlet edge ( 1 ) and the piston crown ( 20 ) with the gap height (h _e ) given is,
c) as a means of controlling the inflow direction, the ratio of inlet gap height (h _e ) / control edge height (h _k ) is provided, the gap width (a) between the control edge ( 21 ) and the neck edge ( 5 ) being greater than in each piston position the inlet gap height (h _e ),
d) the fuel is injected tangentially into the turning ring ( 6 ) during the compression phase and the start of the fuel mixture formation is determined by means of a flushing flow control, a process sequence being provided along the flushing flow within the mixing chamber of the type that the through the inlet gap (h _e ) via the control edge ( 21 ) in the mixing chamber entering ring-shaped air jet on the neck ring ( 4 ) and by means of the guide jacket ( 7 ) in the turning ring ( 6 ) and there is deflected by about 180 ° against the center of the mixing chamber, that thereby the fuel accumulated in the turning ring ( 6 ) is premixed with air and transported against the mixing grid ( 14 ) and that a combustible mixture is produced only after flowing through the mixing grid along the path between the mixing grid and ignition zone (Z) with the air accumulated here ( Fig. 3a-3d),
e) a switching effect based on aerodynamic laws is used as a means of controlling the start of the mixture formation - this is the point in time for the flushing jet to be introduced into the turning ring ( 6 ) - the construction elements: control edge ( 21 ) on Kol ben, inlet clearance ( 3 ), neck ring ( 4 ) with neck edge ( 5 ) and the leading edge ( 8 ) on the guide jacket ( 7 ) are provided ( Fig. 3a-3b),
f) as means for generating a time difference between the start of the mixture formation and the ignition of the fuel mixture - referred to as the ignition shift - the constructively determined distances of the mixing chamber rinsing flow and the also structurally influenced rinsing flow velocities are provided along the distance between the mixing grille ( 14 ) and the ignition zone (Z) , the ignition zone being arranged close to the TDC position of the piston crown ( 22 ).

2. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the construction means ( 1 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 14 , 21 ), which cooperate to generate a mixture necessary for the formation of combustion mixture, flushing concentrically to the cylinder axis are.

3. Internal combustion engine according to claim 1 and 2, characterized in that the leading edge ( 1 ) by means of a flat groove ( 2 ) is pronounced against the cover surface, that the neck ring ( 4 ) has a curvature designed according to aerodynamic aspects and that the neck edge ( 5 ) with a rounding to the non-running position ( 3 ) is executed ( Fig. 1, Fig. 2).

4. Internal combustion engine according to claim 1 to 3, characterized in that between the control edge ( 21 ) and the piston head ( 20 ) an arc transition is provided, which at the control edge ( 21 ) runs approximately parallel to the cylinder axis that the control edge ( 21 ) is part of a piston crown ( 22 ) which is raised against the piston crown ( 20 ) and which has a curvature against the mixing chamber, the base of which is set back radially from the control edge ( 21 ).

5. Internal combustion engine according to claim 1 to 4, wherein the beginning of the mixed purging is initiated by a switching effect, wel cher comes through aerodynamic interaction of several construction elements, characterized in that the inner diameter of the neck ring ( 4 ) at the neck edge ( 5 ) is larger than the diameter of the control edge ( 21 ) but smaller than the diameter of the inlet edge ( 1 ), the TDC position of the control edge ( 21 ) still being axially spaced from the neck edge ( 5 ) and the run-in angle of the inlet clearance ( 3 ) against the piston bottom ( 20 ) is not less than 50 °, and that the diameter of the leading edge ( 8 ) is smaller than the diameter of the control edge ( 21 ).

6. Internal combustion engine according to claim 1 to 5, characterized in that the guide jacket ( 7 ) has a basic structure in the form of a conical shell, with a curved transition to the end edge ( 8 ) is provided on the small end face with the con cave congestion curve ( 10th ) on the outside of the jacket and with the convex forehead bulge on the inside and that on the large front side inside the turning ring ( 6 ) a guide bead ( 12 ) is seen before.

7. Internal combustion engine according to claim 1 to 6, wherein a mixing grid is provided as Einrich device for fuel mixture formation, characterized in that the mixing grid ( 14 ) within the guide jacket ( 7 ) in the flow path between the turning ring ( 6 ) and ignition zone (Z) is arranged and in its basic structure has the shape of a cone jacket, the jacket surface of which is several times larger than the flow cross-section of the turning ring ( 6 ), that a plurality of through-flow openings ( 15 ) are provided in this jacket surface, the total cross-section of which is in the order of magnitude of the Wendering flow cross-section and which are arranged in rows along the Ke gelmantelllinien, and that in the guide jacket ( 7 ) to the outflow side of the mixing grid opening cross-flow openings ( 11 ) are seen between the rows of openings ( 15 a) of the mixing grid before ( Fig. 2, Fig. 4).

8. Internal combustion engine according to claim 1 to 6 with a mixing grill according to claim 7, characterized in that the through-flow openings are designed as circular holes ( Fig. 2).

9. Internal combustion engine according to claim 1 to 6 with a mixing grill according to claim 7, characterized in that the Durchströmöff openings are designed as slots ( 16 ), the slot edges rounded on the inflow side and on the outflow side with a flank angle of 30 ° to 45 ° are chamfered ( Fig. 5).

10. Internal combustion engine according to claim 1 to 9, characterized in that in the space between the turning ring ( 6 ) and the mixing grid ( 14 ) at least one turbulence body is used in the form of a ring and that the guide jacket ( 7 ) with at least three cylinder pins ( 13 ) is attached to the mixing room cover.

11. Internal combustion engine according to claim 1 to 10, characterized in that a working cycle is run through during a crankshaft rotation and that a symmetrical reverse purging is provided in the displacement with a symmetrical arrangement of an inlet and outlet openings, the fresh air flow in the displacement center Head side directed and the exhaust gas flow on the cylinder wall is directed spirally to the outlet openings ( Fig. 6).

12. Internal combustion engine according to claim 1 to 11, wherein as a means for solving the problem according to the invention a piston composed of several parts is used, the piston crown is not cooled, characterized in that the piston from a piston crown ( 20 , 21 , 22 ), from a Sealing ring ( 24 ), from a piston skirt ( 28 ) attached to the sealing ring and from a cross piece with support core ( 25 ), connecting rod bearing ( 26 ) and sliding shoes ( 27 ) is assembled together, the piston crown being conical in the basic structure and made of a heat-resistant one Material is made ( Fig. 7).

13. Internal combustion engine according to claim 1 to 6 with guide jacket and mixing grill according to claim 7, characterized in that the cross-flow openings ( 11 ) are designed as slots.