DE4427465C2 - Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbren­ nung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der DE-OS 23 21 577 ist eine derartige Brennkraftmaschine in Form eines Kolbenmotors bekannt. Bei diesem Kolbenmotor ist der Verbrennungsraum durch eine torusförmige Ausmuldung über den Durchmesser des Kolbens hinaus aufgeweitet. Dadurch ist es zwar möglich, bis nahe an den Kompressionsring heran das verdichtete Kraftstoff/Luftgemisch zu zünden, da der Kolben jedoch einen leicht gephasten 45° Feuersteg aufweist, im übrigen jedoch mit seiner Zylinderfläche noch weit in den Kompressionsraum hineinragt, wird der bei der Explosion an der Mantelfläche radial anliegende Druck nicht in Leistung umgesetzt. Statt dessen kommt es insbesondere auch aufgrund der Form des Feuersteges zu einem Abbrand des Feuersteges, was die Lebensdauer des Motors als auch sein Leistungsverhalten verringert. Zur Zündung wird dort ferner vorgeschlagen, einseitig im Außenbereich zu zünden. Dies hat jedoch zur Folge, daß der Kolben einseitig belastet wird und das Gasgemisch insbesondere im gegenüberliegenden Randbereich nur schwer zu zünden ist. Selbst wenn in derartigen Motoren vielfach üblich ist, den Kraftstoff über Einspritzeinlagen als Kraftstoffnebel einzuspritzen, kommt es immer wieder zu Ablagerungen von Kraftstoff an der Wandung der Einlaßkanäle, den Rückseiten der Einlaßventile sowie den Kolbenwandungen, die als Ablagerungen zurückbleiben und als teil- oder unverbrannte Kohlenwasserstoffe mit dem Abgas ausgeschieden werden.

Aus Patents Abstracts of Japan, M-619 August 26,1987, Vol. 11/No. 263, JP-A 62-67222 ist es ferner bekannt, zur Erhöhung der Verwir­ belung die Kolbenoberfläche abzurunden und mit unterschiedlichen Auswölbungen zu versehen, um dadurch den Mischeffekt auch im Brenn­ raum selbst zu erhöhen. Der Verbrennungsraum wird nach oben insbe­ sondere im Bereich des Ringspaltes des Kolbens durch den radial nach innen eindringenden Maschinenblock reduziert. Dadurch ergibt sich in unerwünschter Weise eine labyrinthartige Ringspaltform. Zwar ist der Kolben an seinem Umfang ausgerundet, da jedoch eine Zündung bis in den Ringspalt hinein aufgrund der labyrinthartigen Form nur schwer möglich ist, trägt diese Ausrundung nicht zur Leistungserhöhung bei, sondern trägt infolge der Form des Maschinenblocks verstärkt zur Ablagerung von Teil- oder unverbrannten Kohlenwasserstoffen und damit auch zum Ausstoß derselben bei.

Zur Lösung des Problems wurde in dem Artikel "Periphere Zündung senkt Schadstoffausstoß" in: Verkehr/Bau, Nr. 5 vom 04.02.1994 beschrieben, gefährliche Ablagerungen im Bereich des Ringspaltes zwischen Kolben und Zylinder dadurch zu verringern, daß eine Mehr­ fachzündung des zündfähigen Frischgasgemisches in der Brennkammer peripher erfolgt. Dadurch entsteht die höchste Temperatur an der Peripherie, so daß auch im Bereich des Ringspaltes vorhandene Kohlenwasserstoffe besser verbrannt werden.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Er­ findung die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Gattung derart weiterzubilden, daß Ablagerungen von Kohlenwasserstoffen ohne Verlust an Leistung weitestgehend vermieden werden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruches 1.

Entgegen dem Stand der Technik wird nun nicht nur das Augenmerk darauf gerichtet, entweder eine verbesserte Durchmischung des Kraftstoff/Luftgemischs zu fördern und dabei den Ringspalt außer acht zu lassen oder eine Verbrennung im Ringspalt zu ermöglichen und damit die Leistungscharakteristik und die Lebensdauer des Motors außer acht zu lassen. Durch die Kombination der Ausrundung des Verbrennungsraums über den Kolben hinaus mit einem ausgerundeten Kolben ist eine vollständige Verbrennung als auch eine Verringerung des Ausstoßes an Teil- oder unverbrannten Kohlenwasserstoff möglich, wobei beide Teile als gemeinsam wirkendes und damit leistungser­ höhendes Element zu sehen sind. Auf vorspringende Kanten jeder Art, sei es seitens des Kolbens oder seitens des Verbrennungsraums wird bewußt verzichtet, so daß der an der Oberfläche des gerundeten Feuerstegs anliegende Explosionsdruck nicht zu Schäden führen kann. Statt dessen führt der Explosionsdruck von der Unterseite der Rundung nach oben zunehmend und unmittelbar Arbeit in Richtung der Kolben­ bewegung aus. Damit ist trotz der Aufweitung des Ringspalts die gesamte vergrößerte Fläche der Kolbenoberseite ohne die nachteilig wirkende Kolbenmantelfläche in den Explosionsprozeß einbezogen.

Die Ausrundung der Motorteile bewirkt in Verbindung mit der peripheren Anordnung der Zündmittel nach Anspruch 2 eine vollständige Verbrennung des Frischgasgemisches im Verbrennungsraum und eine symmetrische Flammfront. Wird das Frischgasgemisch gemäß Anspruch 3 in den Verbrennungsraum eingeleitet und gemäß Anspruch 4 vorbereitet, wird die vollständige Verbrennung weiter dadurch gefördert, daß der in der Gemischaufbereitungskammer erzeugte Zyklon auch im Verbrennungsraum dafür sorgt, daß es nicht zu Ablagerungen von Kohlenwasserstoffen an der Wandung kommen kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Einen Schnitt durch die Brennkraftmaschine in Ansaug­ beginn- bzw. Kompressionsendstellung,

Fig. 2 einen Schnitt durch die Brennkraftmaschine gemäß Fig. 1 in Ansaugend- bzw. Kompressionsbeginnstellung,

Fig. 3 eine Draufsicht auf das aus mehreren Leitringen zusammengefügten Wirbelerzeugungsmittel,

Fig. 4 eine Draufsicht auf einen einzelnen Leitring,

Fig. 5 einen vergrößerten Schnitt durch einen Leitring gemäß Linie 5-5 von Fig. 4.

Fig. 1 zeigt ein Ansaugmittel, im Ausführungsbeispiel einen Kolben 18 am oberen Totpunkt in einem als Zylinderblock 13 ausgebildeten Maschinenblock einer Brennkraftmaschine. Ein Verbrennungsraum 11 wird im wesentlichen durch den Zylinderblock 13 und einen Zylinder­ kopf 12 begrenzt. In dem Verbrennungsraum 11 erfolgt eine innere Verbrennung mit Verdrängungswirkung, die den Kolben in eine Stellung gemäß Fig. 2 überführt. Dem Verbrennungsraum zugeordnet ist wenigstens ein Einlaßventil 7, das die Zufuhr von zündfähigen Frischgasgemischen wie z. B. Kraftstoff/Luftgemischen in einen Ver­ brennungsraum periodisch ermöglicht. Das Einlaßventil wird dabei ebenso wie die lediglich angedeuteten Auslaßventile 9 über einen bekannten Antrieb in Abhängigkeit der Kolbenstellung gesteuert. Grundsätzlich erlaubt das Einlaßventil 7 in seiner gestrichelten Darstellung die Zufuhr des Frischgasgemisches in den Verbrennungs­ raum 11 bei Abwärtsbewegung des als Ansaugmittel ausgebildeten Kolbens 18.

Gemeinsam mit einem Ventilsitz 8 verschließt das Einlaßventil 7 den Verbrennungsraum 11 während des Zündens gegenüber einer Gemisch­ aufbereitungskammer 6. Während der Zufuhr des Frischgasgemisches verbindet es jedoch den Verbrennungsraum 11 mit der Gemischaufbe­ reitungskammer. In einem Ansaugtrichteroberteil 2 ist eine Ventil­ führung 2a für das Einlaßventil 7 zur axialen Bewegung des Einlaß­ ventils entlang seiner Längsachse a-a vorgesehen. Ebenfalls in diesem Ansaugtrichteroberteil 2 sind Zuführmittel 2b z. B. in Form von Kanälen zur Zufuhr von zur Verbrennung erforderlichen Gasen wie Luft, Sauerstoff oder dergleichen in die Gemischaufbereitungskammer 6 vorgesehen. In die Gemischaufbereitungskammer selbst fördern Fördermittel den Kraftstoff.

Die in die Luftkammer 4 im Ansaugtrichterunterteil 3 eintretenden zur Verbrennung erforderlichen Gase wie Luft, Sauerstoff oder dergleichen werden bei ihrem Eintritt in die Gemischaufbereitungskammer während der Zufuhr des Frischgasgemisches in die Gasaufbereitungskammer über Wirbelerzeugungsmittel gezwungen. Diese Wirbelerzeugungsmittel (Leitringe 5) sind koaxial zur Längsachse a-a des Einlaßventils 7 angeordnet. Die Fördermittel selbst, im Ausführungsbeispiel Einspritzdüsen 1, fördern den Kraftstoff unmittelbar in den Wirbel ein, wobei dies vorzugsweise im Taktverfahren erfolgt, so daß ein Luftzyklon bereits vorhanden ist, wenn Kraftstoff erstmals in die Gemischaufbereitungskammer 6 eingespritzt wird.

Grundsätzlich können die Einlaßventile in einer beliebigen Stellung zum Verbrennungsraum angeordnet werden, bevorzugterweise ist das Einlaßventil 7 mit seiner Ventilführung 2a koaxial zur Mittelachse m-m des Kolbens 18 angeordnet. Dadurch wird der sich rotationssym­ metrisch zur Längsachse des Einlaßventils 7 entstehende Zyklon auch in den ebenfalls rotationssymmetrisch ausgebildeten Zylinderraum eingezogen.

Wesentlich für die Erfindung ist die Erzeugung eines Zyklons oder Wirbels, was z. B. dadurch unterstützt werden kann, daß die Luftkammer 4 trichterförmig im Ansaugtrichterunterteil 3 ausgebildet sind. Ebenfalls werden die Wirbelerzeugungsmittel trichterförmig angeordnet, wobei die Mittelachsen der Trichter koaxial zur Längs­ achse a-a des Einlaßventils 7 angeordnet sind. Bevorzugterweise ist der Winkel des Ansaugtrichterunterteils zur Längsachse a-a des Einlaßventils 7 größer als der Winkel der Wirbelerzeugungsmittel zur Längsachse a-a. Ebenso spritzen die Einspritzdüsen 1 den flüssigen Kraftstoff vorzugsweise in einem Winkel α ein, der größer oder gleich der Winkelhalbierenden des Winkels zwischen dem Trichter der Wirbelerzeugungsmittel und der Längsachse a-a des Einlaßventils 7 ist.

Um möglichst keine Behinderungen der Strömung des Zyklons hervor­ zurufen, wird auch der Ventilschaft 7a im Bereich des Ventilsitzes 8 stromlinienförmig ausgebildet. Diese stromlinienförmige Ausbildung zieht sich weiter bis in den Verbrennungsraum 11. Zunächst ist der Ventilsitz 8 mit einer Zentrifugalbegrenzung 8a versehen, die den Zyklon in der Mitte des Verbrennungsraumes 11 hält. Sowohl Stirnfläche 18a des Kolbens als auch der Verbrennungsraum selbst, soweit er durch den Zylinderkopf 12 und den Ventilsitz 8 begrenzt ist, sind im Schnitt wellenförmig ausgebildet und ausgerundet und in der Form­ gebung einander angepaßt, um Räumlichkeiten gleicher Abmessung zu erzielen. Auch der Feuersteg 14 des Kolbens 18 taucht mit seiner ausgerundeten Form in der oberen Endstellung des Kolbens 18 in den Verbrennungsraum 11 ein. Die obere Kolbenkante des Kolbens 18 ist mit einem großen Radius ausgerundet, so daß Ablagerungen vermieden werden. Er kann dem Kolbendurchmesser entsprechen. Durch diese Ausrundungen kann der rotationssymmetrische Zyklon bis zum Verdichtungstakt weiterwirken, so daß schon dadurch Ablagerungen an den Zylinderwandungen verringert werden. Dies kann noch dadurch gesteigert werden, daß der Verbrennungsraum 11 mit einer an der Zylinderwand im Bereich oberhalb des Kompressionsrings 16 angeordneten, umlaufenden konkaven Ausnehmung 11a radial über den Kolbendurchmesser hinausgeht und den Ringspalt 15 zwischen Kolben 18 und Zylinderblock 13 aufweitet. Dadurch wird der Abstand zwischen Verbrennungsraum 11 und Kompressionsring 16 verringert, was einerseits hilft, Ablagerungen von Kohlenwasserstoffen in diesem Bereich zu verringern, andererseits jedoch eventuell den Einsatz hochtemperaturbeständiger Kompressionsringe 16 erfordert. Hierzu trägt auch die bekannte periphere Anordnung der Zündmittel 10 im Verbrennungsraum 11 bei.

Die Entstehung des Zyklons wird im oberen Eintrittsbereich in die Wirbelerzeugungsmittel bereits dadurch gefördert, daß die Ventil­ führung 2a sich bis in den Gemischaufbereitungskammer 6 erstreckt. Gemäß den Fig. 3 bis 5 sind als Wirbelerzeugungsmittel vorzugs­ weise Leitringe 5 vorgesehen. Die Leitringe besitzen spiralförmige Wandungen 5a, deren Abstand sich zueinander radial nach innen verringert. Gleichzeitig werden die zwischen diesen Wandungen 5a liegenden Ansaugschächte 5c auch in ihrer Höhe verringert, so daß sich der Gesamtquerschnitt der Ansaugschächte radial nach innen bis zu düsenförmigen Öffnungen verringert. Dies trägt zur Beschleunigung der eintretenden Luft bei. Bei der Ausführung der Wirbelerzeugungs­ mittel mit Leitringen sind diese düsenförmigen Öffnungen gegen­ einander versetzt, um zuverlässig den Zyklon zu erzeugen.

Die weitere Ausgestaltung der Leitringe ergibt sich aus Fig. 4 und 5. In Fig. 4 gestrichelt erkennbar ist der unter dem Leitring 5 angeordnete Leitring 5′. Deutlich springt dieser Leitring 5′ nach außen zurück, ergänzend besitzen die Leitringe 5 an ihrer Innenseite 5b Abrißkanten 5e für die Strömung, so daß im Zusammenspiel zwischen diesen beiden Merkmalen durch die Strömung ein Luftpolster an der Innenseite 5b der Leitringe erzeugt wird, so daß es in diesem Bereich nicht mehr zu Ablagerungen von Kohlenwasserstoffen kommen kann.

Die einzelnen Elemente werden dabei folgendermaßen dimensioniert. Das Ansaugtrichteroberteil 2 mit Ventilführung 2b ist so ausgebildet, daß neben der vorgesehenen Lage von wenigstens zwei Einspritzdüsen 1 dem Einlaßventil 7 ausreichend Führungslänge und dem Gemischaufbereitungskammer 6 strömungstechnisch ein Maximum erhalten bleibt. Das Ansaugtrichterunterteil 3 ist zum Zweck optimaler Luftversorgung in radialer und horizontaler Richtung dem Luftbedarf der Leitringe 5 angepaßt. Die Verjüngung zum unteren Bereich hin ist eine Frage des zur Verfügung stehenden Platzes. Kegelwinkel und Rauminhalt sind entscheidende Funktionsträger der ausgleichenden Luftverteilung. Im Ausführungsbeispiel ergibt sich ein Drallwinkel von 5°.

Die Leitringe 5 beschleunigen die angesaugte Luft im unteren Bereich bis auf Drehzahlen von 80 000 Umdrehungen pro Minute, wobei die in der Gemischaufbereitungskammer 6 frei werdende, spiralförmige Luftentspannung zu einem Abkühleffekt führt, während die mit hoher Strömungsgeschwindigkeit angesaugte Luft ein auf den Innenflächen kraftstoffabweisendes Luftpolster bildet. Dieser Abriß führt zu einem zusätzlichen Strömungsimpuls mit Aufbereitungseffekt. Die von oben nach unten von ungefähr 45 000 auf 80 000 Umdrehungen pro Minute zunehmende Umdrehungszahl führt vor der Einlaßebene mit Querschnittsverengung zu einem weiteren positiven Zerstäubungs­ effekt, so daß Profil, Stellung und Teilung der Leitringe den jeweiligen Gegebenheiten optimal angepaßt werden kann.

Eine Verringerung bzw. Verkürzung des nachteiligen Ringspaltes wird mit geeigneter Einbettung des Brennraums in den Zylinderblock 13 und dem formveränderten Feuersteg 14 des Kolbens 18 erreicht. Der Sitz des obersten Kompressionsrings 16 ist in seiner axialen Lage so zu setzen, daß er die Brennraumtemperaturen unbeschadet übersteht. Seine Entfernung gegenüber dem Brennraum ist auf ein Minimum zu reduzieren. Die Lage des Kompressionsrings ist entscheidend für die Reduzierung der in diesem Bereich anfallenden unverbrannten Kohlen­ wasserstoffe. Eine kreuz- oder sternförmige Kolbenverstärkung 17 hat Kräfte- und Wärmeverteilungscharakter.

Die Vorrichtung arbeitet wie folgt:
Zunächst wird Luft über nicht dargestellte Luftfilter und Luftmengenzuteilung zugeführt. Am Ansaugtrichteroberteil 3 erfolgt eine radial angeordnete Zuleitung der Luft. Die Luft gelangt dann in die Luftkammern 4, die so dimensioniert sind, daß eine partielle Luftunterversorgung vermieden wird. Ein im Durchfluß befindliches Luftpolster deckt den angepaßten Bedarf der Leitringe. Die Leitringe 5 dienen als Element zur Umsetzung gegebener Luftströme in sogenannte Zyklone oder Spiralwirbel. Die innere Leitstruktur übernimmt die Funktion, geforderte Strömungsformen zu entwickeln, deren Wirkung eine verbesserte Gemischaufbereitung zur Folge hat. Die Gemischbildung erfolgt unter funktionalem Zusammenwirken der Strömungsverhältnisse und abgetakteter Kraftstoffzugabe der Einspritzdüsen 1 in der Gemischaufbereitungskammer 6. Hohe Wirbelgeschwindigkeiten von über 100 m/s bei 3500 Umdrehungen tragen zu maximalem Verteilungsgleichmaß bei. Die zentrale Lage, Form und Dimension des Einlaßventils 7 bestimmt den strömungsoptimalen Ablauf. Ziel ist, daß die Gemischströmung dem Zylinder zentral und symmetrisch zugeführt wird. Bei der Verdichtung auf das Volumen des Verbrennungsraums 11 ergibt sich eine homogene Ladungsschichtung als Voraussetzung einer gleichmäßigen Verbrennung. Dies wird gesteigert durch wenigstens zwei sich gegenüberliegende Zündmittel 10 (Zündkerzen, Glühkerzen oder dergleichen), wodurch sich eine verbesserte Flammfrontsymmetrie ergibt. Der Ausstoß erfolgt letztlich über mindestens zwei Auslaßventile.

Claims (4)

1. Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsraum (11), der von einer Zylinderkopffläche (12a) und der Stirnfläche (18a) eines Kolbens (18) begrenzt ist, wobei die Zylinderwand im Bereich oberhalb des Kompressionsrings (16) eine umlaufende konkave Ausnehmung (11a) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Kolbenkante mit einem großen, dem Kolbendurchmesser entsprechenden Radius versehen ist und daß die Zylinderkopffläche (12a) der Formgebung des Kolbens (18) entspricht, um Räumlichkeiten gleicher Abmessung zu erzielen.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Zündmittel (10) das Frischgasgemisch im Verbrennungsraum (11) peripher zünden.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einlaßventil (7) für die Zufuhr des Frischgasgemisches koaxial zur Mittelachse (m-m) des Kolbens angeordnet ist.

4. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Wirbelerzeugungsmittel einen bis in den Verbrennungsraum (11) wirkenden Zyklon in einer Gemischauf­ bereitungskammer (6) erzeugen, der beim Ansaugen an einem Einlaßventil (7) vorbei in den Verbrennungsraum (11) Wirkung entfaltet.