DE60208030T2

DE60208030T2 - Verbesserte zylinderanordnung für einen flugzeugmotor

Info

Publication number: DE60208030T2
Application number: DE60208030T
Authority: DE
Inventors: Ken Kremer; Hiroshi Arisawa
Original assignee: TEXTRON LYCOMING
Current assignee: TEXTRON LYCOMING
Priority date: 2001-06-06
Filing date: 2002-06-06
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2022-06-07
Also published as: WO2002099259A1; DE60208030D1; ATE313010T1; EP1402158A1; HK1064422A1; US6832589B2; US20030000494A1; EP1402158B1; EP1402158A4

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein Verbrennungsmotoren und insbesondere einen Verbrennungsmotor, der zum Antreiben eines Flugzeugs verwendet wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Wie in der Technik bekannt, wurde der Beseitigung eines Motorklopfens oder Zündungsklopfens, das während des Verbrennungsprozesses in einem Verbrennungsmotor erzeugt wird, ein beträchtliches Maß an Aufmerksamkeit gewidmet. Als Zündungsklopfen bezeichnet man Geräusche und damit in Zusammenhang stehende Effekte, die bei Ottomotoren (fremdgezündeten Verbrennungsmotoren) durch spontane Zündung und Verbrennung, d.h. Selbstzündung, des gasförmigen Kraftstoff-Luftgemisches vor der fortschreitenden Flammenfront auftreten. Nach der Funkenzündung bewegt sich die Flammenfront von der Zündkerze nach außen, und bei normaler Verbrennung erfolgt nach und nach eine Verbrennung der gesamten Kraftstoff-Luft-Füllung. Das verbrannte Gas setzt Wärme frei und dehnt sich aus, was zu einer Druck- und Temperaturerhöhung des unverbrannten Gases vor der Flammenfront bewirkt. Außerdem steigt der Druck und die Temperatur im Zylinder bedingt durch die verdichtende Aufwärtsbewegung des Kolbens. Die Folge davon ist, dass der unverbrannte Kraftstoff sich bis über seine Selbstentzündungstemperatur erwärmen kann. Jedoch muss vor dem Eintreten einer Selbstentzündung genügend Zeit für die chemischen Reaktionen bleiben, die dem Klopfen vorausgehen. Falls sich die Flammenfront durch das unverbrannte Gas bewegt, bevor diese Reaktionen abgeschlossen sind, entsteht eine normale Verbrennung. Falls diese Reaktionen zu schnell ablaufen oder falls die Geschwindigkeit der Flammenfront zu gering ist, erfolgt eine spontane Zündung des unverbrannten Gases und eine sofortige Verbrennung. Dieser Vorgang wird auch als Verpuffung oder Klopfen bezeichnet. Diese unmittelbare Verbrennung führt zu einer sehr starken Druckwelle, die im Inneren des Zylinders mit einer Eigenfrequenz reflektiert wird, die in Zusammenhang mit der Schallgeschwindigkeit im Inneren des Zylinders und den Abmessungen der Verbrennungskammer steht. Das Durchbiegen der Zylinderwandung und des Zylinderkopfes erzeugt das hörbare hochfrequente Klingelgeräusch, das als Zündungsklopfen bekannt ist. Neben der Geräuschentwicklung führt das Zündungsklopfen zu einer strukturellen Schädigung der Verbrennungskammer und des Motors und zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades.
Eine weit verbreitete Methode zur Verringerung des Klopfens bei einem Fahrzeugverbrennungsmotor besteht in der Erhöhung der Oktanzahl des Benzins, wobei die Oktanzahl ein Maß für die Klopfbeständigkeit des Kraftstoffes ist. Je höher die Oktanzahl, desto beständiger der Kraftstoff gegenüber einem Klopfen. Höhere Oktanzahlen sind durch höhere Selbstentzündungstemperaturen oder längere chemische Reaktionszeiten des Endgases bedingt. Die Oktanzahl wird sowohl durch die Struktur als auch die Additive des Kraftstoffes festgelegt. Kompaktere Kohlenwasserstoffmoleküle haben höhere Oktanzahlen als langkettige Moleküle. Während vieler Jahre war Blei das am häufigsten eingesetzte Klopfhemmeradditiv. Jedoch haben sich, aufgrund der Abschaffung von verbleitem Benzin für eine Verwendung im Automobilbereich in den USA und da andere Klopfhemmeradditive nicht so wirksam sind wie Blei, die Hersteller von Automobilmotoren auf eine verbesserte Verbrennungskammergestaltung verlegt, um ein Klopfen zu verhindern.
Wie in der Automobilindustrie bekannt ist, tritt bei Verbrennungskammergestaltungen, bei denen die Temperatur, der Druck und die chemische Verweilzeit des unverbrannten Benzins (Endgas) größer bzw. länger sind, das Zündungsklopfen vermehrt auf. Ein größeres Verdichtungsverhältnis, eine außermittige Zündkerzenanordnung, und eine langsame Verbrennung aufweisende Verbrennungskammern führen auch zu einer Zunahme des Zündungsklopfens. Umgekehrt wird bei einer eine schnellere Verbrennung aufweisenden Kammer, hervorgerufen durch eine höhere Gasgeschwindigkeit im Zylinder und eine Turbulenz, sowie eine mittige Zündkerzenanordnung, die Klopfbeständigkeit vergrößert. Eine schnellere Verbrennung aufweisende Kammern sind bei der Beseitigung des Klopfens von Nutzen, da der letzte Teil der Füllung durch die Flammenfront verbrannt wird, bevor er Zeit zu einer spontanen Zündung, d.h. Verpuffung hat. Kennzeichen von eine schnellere Verbrennung aufweisenden Kammern beinhalten die Verwendung von Starkwirbel-Einlasskanälen und einer Rotationsbewegung (Wirbel) der Füllung bedingt durch ein zur Zylinderachse versetzt erfolgendes Zuströmen der Füllung; die Verwendung von zwei oder mehr Zündkerzen; und das Einbringen einer kleinräumigen Turbulenz in die Zylinderfüllung, was dadurch erzielt wird, dass die Kammer so gestaltet wird, dass ein Teil des Kolbenkopfes an der oberen Totpunktposition dem Zylinderkopf nahe kommt, wodurch die in diesem Gebiet befindliche Füllung in den übrigen Teil der Verbrennungskammer und zu den Vorderenden der Zündkerzen hin "gequetscht" wird. Eine andere Art zur Erzeugung einer eine schnellere Verbrennung aufweisenden Kammer zur Klopfverringerung besteht in einem Anreichern des Kraftstoffes, d.h. einem Vergrößern des Kraftstoff-Luft-Gemischverhältnisses (fetteres Gemisch). Dies trägt auch zur Kühlung des Motors bei. Jedoch geht dieses Anreichern des Gemisches zu Lasten des Kraftstoffverbrauches.
Bisher fanden Fortschritte bei der Verbrennungszylindergestaltung, die auf die zuvor beschriebene Verringerung des Zündungsklopfens abzielen, keine Verwendung bei für Flugzeuge verwendeten Kolbenmotoren. Ein Grund dafür liegt darin, dass die US-Regierung die Verwendung von Blei als Additiv für Flugbenzin noch nicht abgeschafft hat. Daher war die Verwendung von verbleitem Benzin hoher Oktanzahl das primäre Verfahren zur Klopfverringerung bei Flugzeug-Kolbenmotoren. Jedoch ist in Bezug auf andauernde Bedenken in Bezug auf die Umweltverträglichkeit eine zukünftige Verfügbarkeit von Flugbenzin hoher Oktanzahl zweifelhaft.
EP 1 004 757 A1 offenbart einen Ottomotor mit einem Zylinderkopf, der zwei Einlasskanäle und einen Auslasskanal aufweist. Zwei Zündkerzen sind im Zylinderkopf zwischen den Einlass- und den Auslasskanälen angeordnet.
Das US-Patent Nr. 6,035,824 offenbart einen Verbrennungsmotor mit einem Zylinderkopf, der einen Einlasskanal und einen Auslasskanal aufweist. Eine erste Zündkerze ist im Zylinderkopf derart angeordnet, dass deren Zündvorderende unter dem Ort positioniert ist, an dem der Einlasskanal in die Verbrennungskammer eintritt. Eine zweite Zündkerze ist im Zylinderkopf auf der einen Seite einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung angeordnet.
GB 2 112 859 A offenbart einen Direkteinspritz-Ottomotor, bei dem sich eine Kraftstoff-Einspritzdüse zwischen ein Paar von Zündelektroden befindet.
INHALT DER ERFINDUNG
Es besteht ein Bedarf, eine Verbrennungskammergestaltung für einen Flugzeugmotor bereitzustellen, bei der ein Klopfen beträchtlich verringert wird, ohne dass eine Verbrennung von verbleitem Flugzeugbenzin erforderlich ist.
Die Erfindung ist durch Anspruch 1 definiert. Die abhängigen Ansprüche definieren optionale Merkmale einiger Ausführungsformen.
Demgemäß stellt die Erfindung einen verbesserten Flugzeugverbrennungsmotor bereit. Der Flugzeugverbrennungsmotor weist einen Zylinderkopf mit darin ausgebildeter Zylinderkopfbohrung, einen Kolben und Zündkerzen auf. Der Zylinderkopf ist an einem oberen Ende einer mit zylindrischen Wänden ausgebildeten Laufbuchse angebracht, wobei die Zylinderkopfbohrung und die zylindrischen Wände einen Zylinder definieren. Die Zylinderkopfbohrung weist einen bezüglich des oberen Endes der Laufbuchse nach außen vorstehenden Hohlraum auf. Der Kolben weist einen Kolbenboden auf, und der innerhalb des Zylinders befindliche Kolben, der Kolbenboden, die Zylinderwände und die Zylinderkopfbohrung definieren eine Verbrennungskammer. Der Kolbenboden weist eine in diesem ausgebildete Höhlung auf, und die Kolbenkonstruktion ist angeordnet, um sich innerhalb des Zylinder hin- und herzubewegen. Die Höhlung des Kolbenbodens und der Hohlraum arbeiten an einer oberen Totpunktposition des Kolbens zusammen, um eine Wirbelkammer zu bilden. An der Unterkante des Kolbenbodens ist eine Quetschzone ausgebildet, die einer zweiten in der Zylinderkopfbohrung ausgebildeten Quetschzone entspricht, so dass, wenn sich der Kolben dem oberen Totpunkt nähert, die Quetschzone und die zweite Quetschzone zusammenarbeiten, um zu wirken, dass sich Verbrennungsgase in der Verbrennungskammer radial nach innen und in die Wirbelkammer bewegen. Zündkerzen erstrecken sich durch den Zylinderkopf hindurch, wobei deren Vorderenden innerhalb der Wirbelkammer angeordnet sind. Die Zündkerzen sind in einer die Vorderenden der Zündkerze enthaltenden Ebene in Richtung zu einer Mittellinie des Zylinders hin geneigt und sind in einer nicht in dieser Ebene enthaltenden Richtung zu einem Auslasskanal hin geneigt.
Weitere Merkmale und Kennzeichen der Erfindung, sowie Arbeitsverfahren der Erfindung und die Funktion und der Bezug der Strukturelemente untereinander gehen aus der folgenden Beschreibung und den anliegenden Ansprüchen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen klar hervor, die alle einen Teil dieser Offenbarung bilden, wobei in diesen Figuren einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es folgt eine weitere detaillierte Beschreibung der Erfindung mit Bezug auf die angegebenen Zeichnungen anhand nicht einschränkender beispielhafter Ausführungsformen, wobei in allen Figuren der Zeichnungen ähnliche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind; in den Figuren sind:
1 eine perspektivische Ansicht einer Flugzeugmotor-Zylinderbaugruppe der Erfindung, und zwar von oben und von der Seite gesehen;
2 ein Querschnitt einer Flugzeugmotor-Zylinderbaugruppe der Erfindung;
3A ein Querschnitt des Zylinders des Flugzeugmotors von 1 entlang Linie 4-4 von 5;
3B ein Querschnitt des Zylinders des Flugzeugmotors von 1 entlang Linie 6-6 von 6;
4 ein Querschnitt einer zweiten Ausführungsform des Zylinders des Flugzeugmotors, und zwar in der gleichen Ansicht wie bei 3B;
5 eine Draufsicht des Zylinders des Flugzeugmotors von 1;
6 eine Vorderansicht des Zylinders des Flugzeugmotors von 1;
7 eine Ansicht von hinten des Zylinders des Flugzeugmotors von 1;
8 eine Ansicht von links des Zylinders des Flugzeugmotors von 1;
9 eine explodierte Ansicht von 2, wobei sich das Paar von Zündkerzen in Zündkerzen-Aufnahmeöffnungen im Zylinderkopf befindet und sich der Kolbenkopf am oberen Totpunkt befindet;
10A eine Draufsicht eines Zylinders des Standes der Technik, in der der Ort der Zündkerzenöffnungen in Bezug zu den Einlass- und Auslasskanälen und dem Zylinder dargestellt ist;
10B eine Ansicht, welche den Ort der Zündkerzenöffnungen in Bezug zu den Einlass- und Auslasskanälen und dem Zylinder einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
11 eine perspektivische Ansicht eines Kolbens der Erfindung, der den in diesem integral ausgebildeten Kolbenboden beinhaltet;
12 eine perspektivische Ansicht des Kolbens von 2, und zwar von der Seite her gesehen;
13 eine Ansicht von 11, und zwar zur Verdeutlichung in Umrissen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Auch wenn die Erfindung nachfolgend in Verbindung mit mindestens einer beispielhaften Ausführungsform beschrieben wird, versteht es sich, dass dadurch die Erfindung nicht auf diese Ausführungsform eingeschränkt werden soll. Im Gegenteil ist beabsichtigt, dass alle Alternativen, Modifikationen und Äquivalente beinhaltet sind, die sich innerhalb des erfinderischen Gedankens und Schutzumfang der Erfindung befinden, der durch die anliegenden Ansprüche definiert ist.
Nachfolgend sei spezieller Bezug genommen auf die Figuren, in denen eine Flugzeugmotor-Zylinderbaugruppe, die insgesamt mit 10 bezeichnet ist, gemäß den Prinzipien der Erfindung dargestellt ist. Fachleute seien darauf hingewiesen, dass es sich bei der hier beschriebenen und dargestellten Zylinderbaugruppe um eine Darstellung einer aus einem einzelnen Zylinder bestehenden Baugruppe in einem Mehrzylinderverbrennungsmotor handelt. Bei dem Verbrennungsmotor kann es sich jedoch auch um einen Einzylindermotor handeln. Außerdem kann es sich bei dem Motor um einen Viertakt- oder einen Zweitaktmotor handeln.
Bezug nehmend auf die 1 und 2 weist eine Flugzeugzylinderbaugruppe 10 unter anderem eine Laufbuchse, die insgesamt mit 12 bezeichnet ist, einen Zylinderkopf, der insgesamt mit 14 bezeichnet ist und der mit deren einem Ende verbunden ist, und einen Kolben 22 auf. Allgemein arbeiten der Zylinderkopf 14 und der Kolben 22, der einen Kolbenboden 54 beinhaltet, während des Betriebs des Motors zusammen, um die Kraftstofffüllung (Kraftstoff/Luftgemisch) in einer Verbrennungskammer 24 fokussieren, die durch die spezielle Konfiguration von Zylinderkopf 14 und Kolbenboden 54 definiert ist.
Die Laufbuchse 12 hat die Form einer ringförmigen Wandung 26 mit einer sich durch diese hindurch erstreckenden Bohrung 105. Die Bohrung 105 der Laufbuchse 12 hat einen Durchmesser "D". Die Laufbuchse 12 ist so bearbeitet, dass sie eine Mehrzahl von ringförmigen Rippen 28 beinhaltet, die sich von deren Außenumfang aus erstrecken, um Wärme vom Zylinder an die Umgebungsluft abzugeben, wie beim Stand der Technik allgemein bekannt. Benachbart zur ringförmigen Wandung 26 ist ein sich in radialer Richtung erstreckender Flansch 30 angeordnet, der eine Mehrzahl von Öffnungen 32 aufweist, wie in 1 dargestellt. Die Öffnungen 32 sind konfiguriert, um (nicht dargestellte) Befestigungseinrichtungen aufzunehmen, um die Laufbuchse 12 am übrigen Teil eines (nicht dargestellten) Flugzeugmotors zu montieren. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Laufbuchse 12 aus einem thermisch leitenden Material wie beispielsweise Stahl. Jedoch kann stattdessen auch ein beliebiges geeignetes in der Technik bekanntes Material verwendet werden.
Der Zylinderkopf 14 beinhaltet weiter eine zylindrische Bohrung 19, wobei an einen Abschnitt von dieser ein Gewinde 17 ausgebildet ist, um ein entsprechendes an einem Außenseitenabschnitt der Laufbuchse 12 ausgebildetes Gewinde aufzunehmen. Somit wird bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Befestigung der Laufbuchse 12 am Zylinderkopf 14 durch Verschrauben der Laufbuchse 12 am Zylinderkopf 14 bewerkstelligt. Alternativ können die Laufbuchse 12 und der Zylinderkopf 14 fest miteinander verbunden sein, dadurch, dass sie in herkömmlicher Weise an Gegenstücke zueinander bildenden Flächen mit Bolzen verbunden sind. Gegenstücke zueinander bildende Bohrungen 105 und 19 der Laufbuchse 12 des Zylinderkopfes 14 definieren einen vollständigen Zylinder 26 des Verbrennungsmotors.
Der Zylinderkopf 14 ist durch eine spanende Bearbeitung oder durch Gießen zu einer im Wesentlichen hohlen Konfiguration verarbeitet, die eine Mehrzahl von sich von seinem Außenumfang erstreckenden ringförmigen Rippen 33 zur Wärmeübertragung aufweist, wie allgemein in der Technik bekannt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Zylinderkopf 14 aus einem thermisch leitenden Material von geringem Gewicht hergestellt, wie beispielsweise Aluminium. Jedoch kann stattdessen ein beliebiges geeignetes in der Technik bekanntes Material verwendet werden. Wie am besten aus 3A zu sehen, beinhaltet der Zylinderkopf 14 einen Einlasskanal 34 für das Zuführen des Kraftstoff-Luft-Gemisches zum Zylinder 26, und einem Auslasskanal 36, durch den verbrannte Abgase von diesem abgeführt werden. Bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Einlasskanal 34 ein Starkwirbel-Einlasskanal. Die Einlass- und Auslasskanäle 34 und 36 werden mittels (nicht dargestellter) Einlass- bzw. Auslassventile geöffnet und geschlossen, die in bekannter Weise arbeiten und nicht erklärt zu werden brauchen. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Flugzeugmotor zwei Ventile pro Zylinder auf, und zwar je ein Einlassventil und je ein Auslassventil für jeden Einlass- bzw. Auslasskanal. Jedoch ist für Fachleuten klar, dass der Zylinder mehrere Einlass- und/oder Auslasskanäle und zugehörige Ventile beinhalten kann. Es wird auch in Betracht gezogen, dass eine (nicht dargestellte} Nockenwelle im Zylinderkopf 14 direkt oberhalb der Einlass- und Auslasskanäle 34 bzw. 36 angeordnet sein kann.
Nachfolgend Bezug nehmend auf 3B weist der Zylinderkopf 14 weiter eine speziell geformte Kuppel auf, die insgesamt mit Bezugszeichen 20 bezeichnet ist, welche eine obere Verbrennungswand 21 der Verbrennungskammer 24 bildet (2). Die Kuppel 20 weist eine kontinuierliche im Wesentlichen glockenförmige Konfiguration auf, derart, dass mit Abstand nach außen angeordnete konvexe Wandabschnitte 42 der Kuppel 20 einen mittigen konkaven Abschnitt 44 der Kuppel 20 an deren gegenüberliegenden Seiten flankieren. Das heißt, die mit Abstand nach außen angeordneten konvexen Wandabschnitte 42 der Wand 21 sind geringfügig nach oben geneigt und weisen von der Perspektive des Kolbenbodens 54 aus eine im Wesentlichen konvexe Form auf (siehe 2). Im Verlauf eines jeden Wandabschnittes 42 radial nach innen zum Mittelpunkt des Zylinders hin tritt ein Wendepunkt 107 an einen ungefähr in der Mitte der Zündkerzen-Öffnungskanäle 130, 132 befindlichen Ort auf. Jeder Wandabschnitt 42 bis zu diesem Wendepunkt 107 wird als Quetschzone ("S") bezeichnet. Vom Wendepunkt 107 aus geht der Wandabschnitt 21 dann von der Perspektive des Kolbenbodens 54 in eine konkave Form über (siehe 2), um einen konkaven Abschnitt 44 zu bilden. Daher ist anhand des zuvor gesagten die Kuppel 20 im Wesentlichen glockenförmig und entspricht auch der Form des Kolbenbodens 54. Die Kuppel 20 bildet gemeinsam mit dem Kolbenboden 54 die Verbrennungskammer 24, in der ein Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird. Die Form der Kuppel 20, des Kolbenbodens 54 und der Quetschzone S repräsentieren einen Aspekt der Erfindung, was nachfolgend noch detaillierter erläutert wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Wandabschnitt 42 von der Perspektive des Kolbens auf eine konvexe Form auf. Jedoch kann der Wandabschnitt 42, der eine Quetschzone "S" definiert, auch eine geneigte geradlinige Form haben, die sich von einem Ausrundungsradius 120 zu einem Wendepunkt 107 erstreckt. Ebenfalls ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Wandabschnitt 21 durch eine glockenförmige Kuppel 20 definiert. Jedoch kann der Wandabschnitt 21 auch im Wesentlichen eben sein, wie in 4 dargestellt, wobei anstelle der Kuppel 20 ein schalenförmiger Hohlraum 35 vorgesehen ist.
Nachfolgend Bezug nehmend auf die 5–9 sind in einem Zylinderkopf 14 ein Paar von Zündkerzen-Aufnahmeöffnungen ausgebildet, die insgesamt mit 16, 18 bezeichnet sind, und die auf gegenüberliegenden Seiten des Zylinderkopfes angeordnet sind. Die Zündkerzen-Aufnahmeöffnungen 16, 18 erstrecken sich vom Außenumfang des Zylinderkopfes 14 zur Kuppel 20, um Zündkerzenkanäle 130 bzw. 132 zu bilden (siehe 2). Die Öffnungen 16, 18 nehmen Zündkerzen 46 (9) auf, so dass für die Verbrennungskammer 24 eine Funkenzündung bereitgestellt wird. Ausrichtung und Ort der Zündkerzenöffnungen 16, 18, und somit Ausrichtung und Ort der Zündkerzen in der Verbrennungskammer 24 repräsentiert einen signifikanten Aspekt der Erfindung, der später noch detaillierter erläutert wird.
Bezug nehmend auf 9 sind Zündkerzen-Aufnahmeöffnungen 16, 18 derart konfiguriert und positioniert, dass, wenn die Zündkerzen 46 in diesen angeordnet sind, sich die Zündkerzen-Vorderenden 47 relativ nahe beieinander befinden. Die Zündkerzen-Aufnahmeöffnungen 16, 18 treten in die Verbrennungskammer 24 unter den Winkeln ϕ₁₆ bzw. ϕ₁₈ ein. Da die Zündkerzenöffnungen 16, 18 in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sind, ist der Abstand zwischen den Zündkerzen-Vorderenden 47, der als "d" bezeichnet ist, innerhalb der Verbrennungskammer 24 gegenüber den herkömmlichen Flugzeug-Kolbenmotoren, verringert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt der Abstand "d" zwischen den Zündkerzen-Vorderenden ca. 8,00 cm (3,15 Zoll), oder das 0,6-fache des Durchmessers ("D") der Bohrung 105 der Laufbuchse 12. Jedoch kann der Abstand "d" auch zwischen 6,55 und 9,19 cm (2,58 bis 3,62 Zoll) oder dem 0,5- bis 0,7-fachen von D liegen.
Außerdem sind die Zündkerzenöffnungen 16, 18 derart ausgerichtet, dass sie nicht parallel zur Abbildungsebene von 9 sind. Vielmehr sind die Zündkerzenöffnungen 16, 18 von einer Mittellinie unter einem Winkel von θ₁₆ bzw. θ₁₈ nach innen gewinkelt oder geneigt, wie am besten aus 5 zu ersehen. Das heißt, die Zündkerzenöffnungen 16, 18 sind in Richtung zum Auslasskanal 36 um einen Winkel θ₁₆ bzw. θ₁₈ geneigt. Durch das Neigen der Zündkerzen 46 zum Auslasskanal hin werden die Zündkerzen-Vorderenden 47 näher an den Auslasskanal 36 und die Auslasskanalgase gebracht. Da die Auslasskanalseite heißer ist als die Einlasskanalseite wird, dadurch, dass die Zündkerzen-Vorderenden 47 näher am Auslasskanal 36 platziert werden, die Verbrennung verbessert und die Flammengeschwindigkeit vergrößert.
Eine Ansicht von oben der vorliegenden Ausführungsform ist in 10B dargestellt, und die typische Anordnung des Standes der Technik ist in 10A dargestellt. Wie aus 10B zu ersehen, sind die Zündkerzenöffnungen 16, 18 zum Auslasskanal 36 hin geneigt. Außerdem werden die Zündkerzenöffnungen 16, 18 näher zueinander hin bewegt, wobei beide, im Vergleich zum Zylinder des Standes der Technik, in radialer Richtung zum Zylinderinneren hin bewegt wurden. Demzufolge ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Abstand vom Mittelpunkt der Zündkerzenkanäle 130, 132 zur Zylinderwandung 19 an der Auslasskanalseite ca. 20% kürzer als beim Stand der Technik.
Bei der offenbarten Ausführungsform der Erfindung beträgt der Winkel θ₁₆ ca. 19,4°. Jedoch kann der Winkel θ₁₆ innerhalb eines Bereiches von 15° bis 25° liegen. In ähnlicher Weise beträgt bei der offenbarten Ausführungsform der Erfindung der Winkel θ₁₈ ungefähr 9,9°. Jedoch kann der Winkel θ₁₈ in einem Bereich von 5° bis 15° liegen.
Auch beträgt bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung der Winkel ϕ₁₆ ca. 30°. Jedoch kann der Winkel ϕ₁₆ in einem Bereich von 25° bis 35° liegen. In ähnlicher Weise beträgt bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung der Winkel ϕ₁₈ ca. 30°. Jedoch kann der Winkel ϕ₁₈ innerhalb eines Bereiches von 25° bis 35° Liegen. Die Winkel ϕ₁₆ und ϕ₁₈ verstehen sich nicht als einschränkend. Vielmehr kommt ein beliebiger Winkel oder eine beliebige Konfiguration in Frage, bei der die Positionen der Vorderenden 47 der Zündkerzen 46 näher am Auslasskanal 36 sind.
Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Zündkerzenöffnungen 16, 18 zum Auslasskanal 36 hin geneigt.
Es sei darauf verwiesen, dass die zahlreichen Flächen und Löcher, die in der Laufbuchse 12 und dem Zylinderkopf 14 durch spanende Bearbeitung, Bohren und Gewindeschneiden ausgebildet wurden und an denen bzw. in denen verschiedene Bauelemente montiert werden können, sowie weitere Details der dargestellten Zylinderbaugruppe und der Rest des Motors von völlig herkömmlicher Bauart sind und keine zusätzliche Erläuterung erforderlich machen.
Nachfolgend Bezug nehmend auf die 11–13 weist eine Zylinderbaugruppe 10 weiter einen Kolben 22 auf. Der Kolben 22 weist einen an diesem ausgebildeten Kolbenboden 54 auf, wobei der Kolbenboden 54 einen konkaven Abschnitt 55 aufweist, der im Wesentlichen die untere Wandung der Verbrennungskammer 24 definiert. Wie in 2 dargestellt, ist die Verbrennungskammer 24 am oberen Totpunkt durch die Kuppel 20 und den konkaven Abschnitt 55 des Kolbenbodens 54 definiert. Der Kolbenboden 54 ist integral mit der hohlen zylindrischen Wand 52 des Kolbens. Der Kolbenboden 54 ist so konfiguriert, dass er eine Entsprechung zur Kuppel 20 bildet, um zusammenarbeitend mit dieser die Verbrennungsgase von den nach außen mit Abstand angeordneten konvexen Abschnitten 42 (der Quetschzone S) in radialer Richtung nach innen zur Verbrennungskammer 24 zu fokussieren. Die Quetschzone des Kolbenbodens 54, die der Quetschzone S des Zylinderkopfes 14 entspricht, weist eine abgerundete Kante 68 auf, die als Quetschzone P bezeichnet wird. Die Quetschzone P erstreckt sich integral von der ringförmigen Wand 52, um sich in Umfangsrichtung um den Kolbenboden 54 in im Wesentlichen umgebender Beziehung zum konkaven Abschnitt 55 zu erstrecken. Der konkave Abschnitt 55 des Kolbenbodens 54 weist drei vertiefte Gebiete 74, 72 und 70 auf, die den Orten unterhalb des Auslasskanals 36, des Einlasskanals 34 bzw. der Zündkerzen 46 entsprechen.
Das vertiefte Gebiet 70 ist kugelförmig und erstreckt sich quer zum Kolbenboden 54, wobei dessen Begrenzung vollständig innerhalb des durch die Quetschzone P umschlossenen Gebietes enthalten ist. Die Gebiete 72 und 74 bilden ein Paar von im Wesentlichen bogenförmigen, kugelförmigen zur Aufnahme der Ventile dienenden vertieften Gebiete, die im Wesentlichen unterhalb der Orte des Einlass- und des Auslasskanals angeordnet sind, wobei jede eine halbkreisförmige abgeschrägte Wandung 140 bzw. 142 aufweist, die sich von der abgerundeten Kante 68 (Quetschzone P) in integraler Weise nach innen erstreckt. Der Durchmesser des vertieften Gebietes 74, der dem Auslasskanal 36 entspricht, ist größer als der des vertieften Gebietes 72, der dem Einlasskanal 34 entspricht.
Bei einer dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind mittig in jedem der vertieften Gebiete 72, 74 kreisförmige Vertiefungen 78, 76 angeordnet, die im Wesentlichen unterhalb der Orte des Auslasskanals 36 und des Einlasskanals 34 angeordnet sind. Die Durchmesser der kreisförmigen Vertiefungen 78, 76 entsprechen im Wesentlichen den Durchmessern des Einlass- und des Auslassventils (nicht dargestellt). Jedoch brauchen die kreisförmigen Vertiefungen 76, 78 bei der dargestellten Ausführungsform nicht realisiert sein.
Die Form des Kolbenbodens 54, die Form des Zylinderkopfes und die Nähe des Kolbenbodens zum Zylinderkopf in der Quetschzone S tragen alle dazu bei, die Kraftstofffüllung radial nach innen in die Verbrennungskammer 24 zu drücken oder zu quetschen. Diese Quetschwirkung erzeugt eine Turbulenz in der Kammer 24, die ein rasches Verbrennen der Kraftstofffüllung erleichtert. In der Quetschzone hat der abgerundete Kantenabschnitt 68 die gleiche Form wie der entsprechende Zylinderkopfwandabschnitt 42. Der Abstand oder die lichte Weite zwischen dem abgerundeten Kantenabschnitt 68 und dem Zylinderkopfwandabschnitt 42 am oberen Totpunkt wird als Quetschbanddicke "c" bezeichnet (wie in 8 dargestellt). Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt die Quetschbanddicke c ungefähr 1,194 ± 0,406 mm (0,047 ± 0,016 Zoll) am oberen Totpunkt ("OT"). Der obere Totpunkt ist die Position, bei der der Kolben den obersten Punkt seiner Bewegung im Zylinder erreicht hat und die Mittellinie der Kolbenstange 100 (siehe 2) im Wesentlichen parallel zur Bohrung des Zylinders ist.
Der Kolben 22 beinhaltet weiter ein Paar von flachen Vertiefungen 56, die an diametral gegenüberliegenden Seiten des entgegengesetzten Endes einer ringförmigen Wandung 52 angeordnet sind. An der Außenseite einer ringförmigen Wandung 52 sind ein Paar von fluchtenden Stangenaufnahmelöchern 58 angeordnet, die sich durch die diametral gegenüberliegenden Seiten hindurch erstrecken, welche die Vertiefungen 56 beinhalten. Die Stangenaufnahmelöcher 58 befinden sich zwischen einem Paar von D-förmigen Hohlräumen 60, um den Kolbenkopf 22 einer Kolbenstange 100 schwenkbar zu montieren, wie allgemein in der Technik bekannt. Eine Reihe von parallelen Nuten 62 sind mit engen Abständen zueinander angeordnet, wobei die unterste von diesen eine Ölbohrung 64 zur Abgabe von Schmieröl aufweist. Die Nuten 62 sind konfiguriert, um (nicht dargestellt) Ringe aufzunehmen, wie allgemein in der Technik bekannt, um einen Eintritt von Schmieröl zur Verbrennungsseite des Zylinders zu verhindern.
Die zuvor beschriebene Kombination, die beinhaltet, dass die Zündkerzen-Vorderenden in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sind, der Kolbenboden 54 gestaltet ist, um die Kraftstofffüllung in radialer Richtung nach innen zu quetschen, und die Verbrennungskammer 24 mittig angeordnet ist, sorgt für einen beträchtlich verbesserten Verbrennungsprozess, bei dem ein Klopfen beträchtlich verringert oder beseitigt wird, ohne dass ein Kraftstoff hoher Oktanzahl verwendet werden braucht.
Bezug nehmend auf die Funktionsweise eines Motors, der mit einer Zylinderbaugruppe 10 einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ausgerüstet ist, bewegt sich, nachdem eine Kraftstofffüllung (d.h. ein Kraftstoff/Luftgemisch) in den Starkwirbel-Einlasskanal 34 eingetreten ist, bewegt sich der Kolben 22 zum OT und bewirkt unter Volumenverringerung der Verbrennungsseite des Zylinders 26 ein Verdichten der Kraftstofffüllung. Wenn sich der Kolben 22 rasch zum Zylinderkopf 14 hin bewegt und OT erreicht, drängt die geringe Quetschbanddicke C und die Quetschzone S die Kraftstofffüllung mit hoher Geschwindigkeit in radialer Richtung nach innen, wodurch eine starke Turbulenz erzeugt wird und die Kraftstofffüllung in der Verbrennungskammer 24 konzentriert wird.
Zu diesem Zeitpunkt, oder kurz vor OT erzeugt jede der Zündkerzen 46 einen Funken und zündet die Kraftstofffüllung. Jedes Zündkerzen-Vorderende 47 erzeugt eine Flammenfront, die den Kraftstoff verbrennt, durch den sie passiert. Die Flammenfront bewirkt einen Temperaturanstieg im Zylinder, und somit einen Druckanstieg. Außerdem wird bei einer Ausführungsform, bei der die Zündkerze die Kraftstofffüllung zündet, bevor der Kolben OT erreicht, die Kraftstofffüllung durch die Kolbenbewegung zum Zylinderkopf hin weiter komprimiert. In jedem Fall ist der Druckanstieg im Zylinder zu diesem Zeitpunkt sehr rasch, erfolgt jedoch im Allgemeinen mit ziemlich gleichmäßig gesteuerter Geschwindigkeit. Da die Kraftstofffüllung innerhalb der Kammer 24 unter starker Turbulenz konzentriert ist und sich die Zündkerzennasen 47 in unmittelbarer Nähe befinden, wird die Zeit verringert, die von der Flammenfront benötigt wird, um sich durch das Volumen der Kraftstofffüllung hindurch zu bewegen. Außerdem unterstützt die von der Quetschzone und dem Einlasskanal erzeugte starke Turbulenz den Verbrennungsprozess. Als Ergebnis wird die Kraftstofffüllung rasch verbrannt und der vor der Flammenfront befindlichen unverbrannten Kraftstofffüllung bleibt keine Zeit zur Selbstentzündung. Da eine Selbstentzündung, und somit ein Zündungsklopfen durch Vorsehen einer Zylinderbaugruppe 10 gemäß der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung beträchtlich verringert oder beseitigt wird, ist keine Kraftstoffanreicherung und/oder ein Kraftstoff hoher Oktanzahl erforderlich, um das Auftreten eines Zündungsklopfens beträchtlich zu verringern oder zu beseitigen.
Auch wenn die Erfindung in Verbindung mit solchen Ausführungsformen beschrieben wurde, bei denen man im Moment von dem größten praktischen Nutzen ausgeht und die bevorzugt sind, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen und Elemente eingeschränkt ist, sondern im Gegenteil verschiedene Modifikationen, Kombinationen von Merkmalen, äquivalente Anordnungen und äquivalente Elemente einschließen soll, die innerhalb des Schutzumfangs der anliegenden Ansprüche liegen. Weiter verstehen sich die Abmessungen der Merkmale verschiedener Bauteile, die in den Zeichnungen auftreten können, nicht als einschränkend, und die Größe der in diesen dargestellten Bauelemente kann von der in den Figuren dargestellten Größe abweichen.

Claims

Verbrennungsmotor zum Antreiben eines Flugzeuges, wobei der Verbrennungsmotor aufweist: – einen Zylinderkopf (14), der eine in diesem ausgebildete zylindrische Kopfbohrung (19) aufweist, wobei der Zylinderkopf (14) an einem oberen Ende einer mit zylindrischen Wänden (26) ausgebildeten Laufbuchse (12) fest angebracht ist, wobei die Zylinderkopfbohrung (19) und die zylindrischen Wände (26) einen Zylinder definieren, wobei die Zylinderkopfbohrung (19) bezüglich des oberen Endes der Laufbuchse (12) einen nach außen vorstehenden Hohlraum aufweist; – einen Kolben (22), der einen Kolbenboden (54) aufweist, wobei sich der Kolben (22) innerhalb des Zylinders befindet, und der Kolbenboden (54), die Zylinderwände (26) und die Zylinderkopfbohrung (19) eine Verbrennungskammer (24) definieren, wobei der Kolbenboden (54) eine in diesem ausgebildete Höhlung (55) aufweist und die Kolbenkonstruktion angeordnet ist, um sich innerhalb des Zylinders hin und her zu bewegen; – wobei die Höhlung (55) des Kolbenbodens (54) und der Hohlraum an einer oberen Totpunktposition des Kolbens (22) zusammenwirken, um eine Wirbelkammer zu bilden; – wobei an der Umfangskante des Kolbenbodens (54) eine Quetschzone (P) ausgebildet ist, die einer zweiten in der Zylinderkopfbohrung (19) ausgebildeten Quetschzone (S) entspricht, so dass, wenn sich der Kolben (22) dem oberen Totpunkt nähert, die Quetschzone (P) und die zweite Quetschzone (S) zusammenwirken, um zu bewirken, dass sich Verbrennungsgase in der Verbrennungskammer (24) radial nach innen und in die Wirbelkammer bewegen; und – Zündkerzen (46) sich durch den Zylinderkopf (14) hindurch erstrecken, wobei die Zündkerzen (46) jeweils ein Vorderende (47) aufweisen, das zur Erzeugung eines Funkens ausgebildet ist, wobei jedes der Vorderenden (47) innerhalb der Wirbelkammer angeordnet ist; wobei – die Zündkerzen (46) in einer die Vorderenden (47) der Zündkerzen enthaltenden Ebene zu einer Mittellinie des Zylinders hin geneigt sind und in einer nicht in dieser Ebene enthaltenen Richtung zu einer Auslassöffnung (36) hin geneigt sind.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem der Hohlraum eine glockenförmige Kuppel (20) ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, der weiter einen Starkwirbel-Einlasskanal (34) aufweist, der im Zylinderkopf (14) integral ausgebildet ist.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem eine erste Zündkerze von diesen Zündkerzen (46) unter einem Winkel von ca. 15° bis 25° zum Auslasskanal (36) hin geneigt ist und eine zweite Zündkerze dieser Zündkerzen (46) unter einem Winkel von ca. 5° bis ca. 15° zum Auslasskanal (36) hin geneigt ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, bei dem die erste Zündkerze unter einem Winkel von ca. 19,4° zum Auslasskanal (36) hin geneigt ist und die zweite Zündkerze unter einem Winkel von ca. 9,9° zum Auslasskanal (36) hin geneigt ist.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Zündkerzen (46) unter einem Winkel zwischen ca. 25° und ca. 35° in die Verbrennungskammer (24) eintreten.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, bei dem die Winkel, unter dem die Zündkerzen (46) in die Verbrennungskammer (24) eintreten, ca. 30° betragen.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Abstand zwischen den Vorderenden (47) der Zündkerzen zwischen ungefähr dem 0,5-fachen und dem ungefähr 0,7-fachen des Durchmessers der Zylinderkopfbohrung (19) beträgt.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 8, bei dem der Abstand zwischen den Vorderenden (47) der Zündkerzen ungefähr das 0,6-fache des Durchmessers der Zylinderkopfbohrung (19) beträgt.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die lichte Weite zwischen der Quetschzone (P) und der zweiten Quetschzone (S), wenn der Kolben (22) den oberen Totpunkt erreicht, ungefähr 1,194 mm (0,047 Zoll) beträgt.