DE4317795A1 - Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Fremdzündung und mit Brenngemischbildung in einem vom Arbeitshubraum abgesetzten Mischraum - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Weiterbildung des in der Patentanmel­ dung P 43 04 658.4 beschriebenen Erfindungsgegenstandes.

Mit dieser Weiterbildung wird der Zweck verfolgt, die Spülströ­ mung, die Mischturbulenz und die Raumverhältnisse für die Brenn­ zone innerhalb des Mischraumes zu verbessern.

In der genannten Hauptanmeldung ist als Mittel zur Aufbereitung des Kraftstoff-Luft-Gemisches ein Mischgitter eingesetzt, an wel­ chem die zur intensiven Mischung erforderliche Turbulenz erzeugt wird. Die unter Berücksichtigung der realistischen Raumverhältnis­ se noch mögliche Ausführung dieses Mischgitters verursacht jedoch längs der Mischraum-Spülströmung eine Stauwirkung, wodurch die Spülströmung nachteilig beeinflußt wird. Außerdem ist damit nicht gewährleistet, daß das in der Brennzone vorhandene Luftvolumen vollständig in den Mischprozeß einbezogen wird. Ein weiterer Nach­ teil ergibt sich daraus, daß die Festkörperoberfläche innerhalb des Mischraumes vergrößert und dadurch ein Verlust an Brennwärme verursacht wird.

Der Erfindung wird folgende Aufgabe zugrundegelegt: Das Mischraumprofil und die zur Strömungsführung eingesetzten Leitelemente sind so auszubilden, daß längs des Spülstromweges keine Stauzonen entstehen, daß also längs dieses Strömungsweges eine annähernd kontinuierliche Abnahme der Strömungsgeschwindig­ keit erreicht wird, wobei die am Anfang vorhandene längsgerichtete kinetische Energie in eine Mischturbulenz umgesetzt werden soll. Dabei ist zu berücksichtigen, daß als Brennzone ein möglichst großer Volumenanteil des Mischraumes verfügbar ist, daß die in der Brennzone enthaltene Luft möglichst vollständig für die Brenn­ reaktion ausgenutzt wird und daß die innerhalb des Mischraumes zur Strömungsführung notwendigen Festkörperflächen auf ein Min­ destmaß begrenzt werden.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zur Richtungssteuerung des Mischraum-Spülstromes an der Einlaufstirnseite des Leitmantels 7 eine aerodynamisch wirksame Stirnstaufläche 71 ausgebildet ist, daß der Umlenkwinkel im Wendering 6 größer als 180° ist, wobei die Ausströmrichtung des Spülstromes aus dem Wendering in die Brenn­ zone BZ angenähert parallel zur Zylinderachse und gegen die In­ nenfläche des Leitmantels 7 gerichtet ist und daß zur Erzeugung einer intensiven Mischturbulenz am Leitmantel 7 und am Wendering 6 in Umfangsrichtung verlaufende Formelemente vorgesehen sind. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrie­ ben.

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung nachstehend erläutert. Es zeigt

Fig. 1: Längsschnitt durch den Zylinderkopf mit Mischraum (vergrößert dargestellt);

Fig. 2a/2b: Modelldarstellung zur Spülstromsteuerung;

Fig. 3 und Fig. 4: Profilschnitte einer Alternativausführung des Leitmantels;

Fig. 5: Anordnung der Kraftstoffzuführung am Wendering.

Zu Fig. 1: Mit den kennzeichnenden Merkmalen der Hauptanmeldung ist folgende Wirkungsweise zugrundegelegt:

In den Ringhohlraum des Wenderinges 6 wird während des Verdich­ tungshubes entweder Gaskraftstoff oder vergasbarer Flüssigkraft­ stoff tangential eingeblasen, wobei letzterer bis gegen Ende des Verdichtungshubes verdampft sein muß. Zweckmäßig wird Flüssigkraft­ stoff mittels Luft eingeblasen. Der Kraftstoff muß bis gegen Ende des Verdichtungshubes im Wendering 6 konzentriert bleiben, was durch die radiale Versetzung des Wenderinges, durch die bei der Kraftstoffeinblasung aufgezwungene Rotationsbewegung und durch die Verdichtung unterstützt wird, wobei während der Verdichtung Luft­ volumen aus dem Hubraum H in den Mischraum verdrängt wird. Diese Verdrängungsströmung wird durch konstruktive Mittel so ausgerich­ tet, daß während der Verdichtungsphase bis kurz vor der OT-Posi­ tion eine Längsdurchströmung innerhalb des Wenderinges 6 verhin­ dert wird. Bei einer konstruktiv vorbestimmten Kolbenposition - ca. 30° Kurbelwellendrehwinkel vor OT - wird die Verdrängungs­ strömung durch geeignete konstruktive Mittel an die Wand des Hals­ ringes 4 und in den Wendering 6 gelenkt. Dadurch erfolgt die Ausspülung des Kraftstoffes zum Mischraumzentrum, in die Brenn­ zone BZ, gegen die Zündstelle Z. Längs des Durchspülweges erfolgt die Kraftstoff-Luft-Gemischbildung (Fig. 1).

Der von der Kolbenposition abhängige Umlenkeffekt wird durch das Zusammenwirken von Einlaufkante 1 mit Freistellung 3, Kolbensteuer­ kante 21, Halsring 4 und Leitmantel 7 erreicht. Wichtig ist da­ bei die Strömungsablösung an der Einlaufkante 1 und an der Kolben­ steuerkante 21.

Fig. 2a/2b zeigen das Funktionsmodell zum Schalteffekt, welcher durch den Leitmantel 7 erzeugt wird. Voraussetzung dazu ist die Stirnstaufläche 71 an der Einströmseite des Leitmantels und die Ausbildung einer spitzwinkeligen Brechkante 72 zur Leitmantel­ innenfläche sowie die spitzwinkelige Abströmkante 61 am Wende­ ring 6, welche die Abströmrichtung gegen die Innenfläche des Leit­ mantels lenkt. Trifft der Strahlkern - wie in Fig. 2a - im Bereich der Brechkante 72 auf die Stirnstaufläche, dann bildet sich an der Brechkante ein gegen die Leitmantelinnenfläche drehendes und an der Stirnrundung 73 ein gegen den Halsring 4 drehendes Wir­ belfeld aus, die Strahlenergie wird gebrochen und in Turbulenz­ energie aufgelöst, innerhalb des Wenderinges 6 besteht ein Druck­ gleichgewicht. Wird der Strahlkern zur Stirnrundung 73 versetzt - Fig. 2b - dann entsteht ein Druckgefälle von der Außenseite zur Innenseite des Leitmantels, wodurch die Längsumströmung über den Wendering 6 eingeleitet wird, der Strahl "kippt" zur Leit­ mantelaußenfläche. Die Änderung des Anströmwinkels und damit die Versetzung des Strahlkernes wird, wie in der Hauptanmeldung be­ schrieben, durch das Zusammenwirken von Einlaufkante 1 und Kolben­ steuerkante 21 verursacht.

Um eine intensive Vermischung des Kraftstoffgases mit der Brenn­ zonenluft zu erreichen, müssen der Längsströmung Querströmungen überlagert werden. Solche Querströmungen ergeben sich aus den Randwirbeln, welche an der Brechkante 72 und an der Abströmkante 61 erzeugt werden. Um den Raum des Wenderinges 6 zur Gemisch­ bildung auszunutzen, wird der in den Wendering eintretenden Spül­ strömung mittels des Halsabsatzes 41 und der Leitmantel-Ablöse­ kante 74 beidseitig eine turbulente Grenzschicht aufgezwungen.

In der Modelldarstellung Fig. 2a/2b ist das einfachste Profil für den Leitmantel 7 vorgeschlagen. Bei diesem Profil kann sich über der Stirnfläche zum Wendering eine geschlossene Wirbelwalze aus­ bilden. In Fig. 1 ist eine Alternativausführung des Leitmantel­ profils eingezeichnet, wobei die Ausbildung einer Wirbelwalze durch einen axial angesetzten Bremssteg 75 gestört wird.

Eine weitere Alternativform für den Leitmantel 7 zeigt Fig. 3: Hier sind im Bremssteg 75 mehrere Stegöffnungen 76 vorgesehen, welche eine in der Umfangsrichtung unterbrochene Querströmung er­ möglichen. Die Stegöffnungen 76 werden als Kreisbohrungen oder alternativ als Schlitze vorgeschlagen. Außerdem ist bei diesem Leitmantelprofil die Stirnstaufläche 71 konkav mit einer spitzen Staukante 77 ausgeformt.

Fig. 4 zeigt eine Weiterbildung des Leitmantelprofils zu dem Zweck, an der Leitmantelinnenfläche den Mischeffekt zu verstärken, wozu am Umfang verteilt Zahnrippen 78 vorgesehen sind, an deren Aus­ laufstirnkanten eine längs des Umfanges unterteilte Strömungsab­ lösung erzeugt wird.

Bei allen vorgeschlagenen Leitmantelausführungen ist es vorteilhaft, wenn die äußere Kegelmantellinie einen Winkel zwischen 35° und 45° und die innere Abström-Kegelmantellinie einen Winkel von ca. 45° bezüglich der Zylinderachse aufweisen. Die Ableitung des aus dem Wendering 6 gegen die Leitmantelinnenfläche aus strömenden Gas­ gemisches wird begünstigt, wenn die Leitmantelinnenfläche konkav gewölbt ist.

Damit sich eine Mischraum-Spülströmung in der Form ausbilden kann, wie in Fig. 1 dargestellt, ist ein Druckgefälle zwischen Hubraum­ spalt H und der Brennzone BZ erforderlich und die Strömungsfüh­ rung muß so gestaltet sein, daß entlang des Strömungsweges vom Halskanal 43 durch den Wendering 6 bis zur Brennzone BZ die Charakteristik einer Freistrahlströmung erzeugt wird.

Da das Querschnittsprofil des Halskanals 43 die Mischraumspü­ lung maßgebend beeinflußt, wird vorgeschlagen, den Leitmantel 7 am Halsring 4 zu fixieren, wozu wenigstens drei schräg eingeboh­ rte Fixierstifte 44 vorgesehen sind - dargestellt in Fig. 3.

Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Gemischbildungsverfahren setzt eine bezüglich der Zylinderachse konzentrische Kraftstoffkonzen­ tration im Wendering 6 voraus. Ein Beispiel zur Anordnung der Kraftstoffzuführung ist in Fig. 5 dargestellt. Die Einblasdüse 8 ist im Bereich des größten Wenderingdurchmessers angeordnet, wobei die Strahlachse unter einem Winkel von 20° bis 30° zur Kreistan­ gente liegt.

Im Oberbegriff der Hauptanmeldung wird vorgegeben, daß das erfin­ dungsgemäße Gemischbildungsverfahren vorzugsweise für gasförmige und leicht vergasbare Kraftstoffe ausgelegt ist. Mit Berücksichti­ gung der Erfindungsmerkmale kann definiert werden: In die Brenn­ zone gelangt grundsätzlich nur gasförmiger Kraftstoff. Damit ist aber nicht ausgeschlossen, daß auch solche Kraftstoffe eingesetzt werden können, welche nur mit Zusatzmitteln vergasbar sind. Es ist nach dem Stand der Technik bekannt, daß bei bestimmten Reaktionstemperaturen Mineral- und Bio-Öle mit Wasserdampf zu Spaltgas oder Kohlestaub mit Wasserdampf zu Kohlegas umgewandelt werden kann. Mit den Mitteln der vorliegenden Erfindung wären gün­ stige Voraussetzungen zur innermotorischen Anwendung dieser Aufbe­ reitungsverfahren vorhanden. Deshalb wird als weiterer Anwendungs­ bereich der Erfindung vorgeschlagen, daß z. B. mit der Anordnung nach Fig. 5 Kraftstofföl oder alternativ Kohlestaub mittels Wasser­ dampf in den Wendering 6 bereits während der UT-Kolbenposition eingeblasen wird. Für die Vergasungsreaktion steht dann ein Zeit­ intervall von ca. 180° Kurbelwellendrehung zur Verfügung. Dabei ist aber zu berücksichtigen, daß die Wandtemperatur des Wenderin­ ges 6 , in welchem die Umwandlungsreaktion erfolgt, in Höhe der notwendigen Reaktionstemperaturen (ca. 800 bis 1000 K) liegen.

Claims (9)

1. Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Fremdzündung und mit Brenn­ gemischbildung in einem vom Arbeitshubraum abgesetzten Mischraum nach dem Oberbegriff und nach den Merkmalen des Anspruches 1 der Hauptanmeldung, wobei als wirkungswesentliche Bestandteile des Mischraumes, welche zur Brenngemischbildung erforderlich sind, eine durch Steuerkanten und Einlauffreistellung ausgeprägte Ein­ laufzone, ein aerodynamisch wirksamer Halsring, zur Strömungsum­ kehrung ein Wendering und ein Leitmantel mit Elementen zur Turbu­ lenzverstärkung vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zur Schaltsteuerung des Mischraum-Spülstromes an der Einlaufstirnseite des Leitmantels (7) eine aerodynamisch wirksame Stirnstaufläche (71) ausgebildet ist, daß der Umlenkwinkel im Wendering (6) größer als 180° ist, wobei die Ausströmrichtung des Spülstromes in die Brennzone (BZ) annähernd parallel zur Zylinder­ achse und gegen die Innenfläche des Leitmantels (7) gerichtet ist und daß als Mittel zur Erzeugung einer Mischturbulenz am Leitman­ tel (7) und am Wendering (6) in Umfangsrichtung verlaufende Form­ elemente vorgesehen sind.

2. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnstaufläche (71) zur Leitmantel­ innenseite eine spitzwinkelige Brechkante (72) und zur Leitmantel­ außenseite eine Stirnrundung (73) aufweist, wobei der Abstand die­ ser Stirnstaufläche von der OT-Position der Kolbensteuerkante (21) mindestens 1/5 des kleinsten Halsringdurchmessers beträgt.

3. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnstaufläche (71) als Hohlkehle mit einer spitzwinkeligen Brechkante (72) zur Leitmantelinnenseite und mit einer spitzwinkeligen Staukante (77) zur Leitmantelaußen­ seite ausgebildet ist.

4. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 mit einer Stirn­ staufläche nach Anspruch 2 oder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Wendestirnseite des Leitmantels (7) zur Leitmantelaußenseite eine Leitmantel-Ablösekante (74) und zur Leitmantelinnenseite ein gerundeter Übergang vorgesehen ist.

5. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 mit einer Stirn­ staufläche nach Anspruch 2 oder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Wendestirnseite des Leitmantels (7) ein axial in den Wendering (6) hineinragender Bremssteg (75) mit einer Ablösekante (74) zur Leitmantelaußenseite vorgesehen ist und daß der Bremssteg mehrere Stegöffnungen (76) aufweist (Fig. 3).

6. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 und nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei an der Innenseite des Leitmantels zu­ sätzliche Elemente zur Turbulenzverstärkung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß an der Innenseite des Leitmantels Zahnrippen (78) mit dreieckförmigem Profil vorgesehen sind, deren Spitzen gegen dem Spülstrom gerichtet sind, wobei die Höhe dieser Zahnrippen kleiner ist als die Höhe des Durchströmspaltes (Fig. 4).

7. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 und nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung der Stromlinien im Halskanal (43) zwischen Leitmantel (7) und Halsring (4) zwischen 35° und 45° bezüglich der Zylinderachse liegt, daß am Übergang vom Halskanal (43) zum Wendering (6) ein querschnittserweiternder Halsabsatz (41) und daß am Auslauf der Wenderingkrümmung zur Brennzone (BZ) eine spitzwinkelige Abström­ kante (61) vorgesehen ist.

8. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 und nach einem der Ansprüche 2 bis 6 und nach Anspruch 7, wobei der Kraftstoff annähernd tangential in den Wendering eingeblasen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Kraftstoffeinblasung in einer Zone des größten Wenderingdurchmessers angeordnet sind und daß die Achse des Einblasstrahles in einem Winkel von 20° bis 30° zur Kreistangente angeordnet sind (Fig. 5).

9. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 und nach einem der Ansprüche 2 bis 6 und nach Anspruch 7 und 8, wobei zwischen Kolbenboden und Kolbensteuerkante eine Kreisbogenausrundung vor­ gesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbensteuerkante (21) hinterschnitten ist, wobei die Auslaufrichtung an der Kolben­ steuerkante gegen die Zylinderachse einen Winkel zwischen 10° bis 20° aufweist (Fig. 1).