DE7914924U1 - Brennkraftmaschinen - brennraum - Google Patents

Description

Dancho Zochev Diplom-Ingenieur Hessenring 44 6090 Rüsselshelm

BRENNKRAFTMASCHINEN - BRENNRAUM

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brennraum, der bei der oberen Totpunktstellung des Kolbens überwiegend in einer kreisförmigen Kolbenmulde ausgebildet ist für eine fremd- oder selbstgezündete Brennkraftmaschine, mit Zwei- oder Viertakt-Arbeitsgang sowie mit zwei oder mehreren hängenden Gaswechsel-Ventilen.

Die zahlreichen bis jetzt bekannten Brennräume für die Brennkraftmaschinen zeigen verschiedene Arten von Mängeln, Infolgedessen verursachen sie einen niedrigen thermodynamischen Wirkungsgrad und einen erheblichen Ausstoß von schädlichen Abgasanteilen.

Die Erfindung stellt sich das Ziel, einen optimal möglichen Brennraum zu erzielen, der bei einer fremdgezündeten

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Brennkraftmaschine eine vollständige Verbrennung magerer Gemische bei höheren Verdichtungsverhältnissen und kleineren Härmeverlusten, sowie bei einer selbstgezündeten Brennkraftmaschine einen mehr kontrollierbaren Verbrennungsprozeß auch mit kleineren Härmeverlusten mit allen sich hieraus ergebenden Vorteilen ermöglicht, und damit ein höherer thermodynamischer Hirkungsgrad, höhere spezifische Leistung, bessere Laufeigenschaften, kleinerer

Ausstoß schädlicher Abgasenteile der Brennkraftmaschinen erreicht wird.

a) Bei einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine wird das erreicht mit der Zündung eines lokal angereicherten mageren Gemisches und eine schnelle Verbreitung der Flammenfront durch eine stark rotierende Drallströmung in einem kompakten Brennraum mit hocherhitzten Händen.

b) Bei einer selbstgezündeten Brennkraftmaschine wird das Erfindungsziel mit einer schnellen Vermischung und Verbrennung des Kraftstoffes in einer stark rotierenden Luft-Drallströmung in einem kompakten Brennraum mit. hocherhitzten Händen erreicht.

Die Erfindung sieht bei einer Brennkraftmaschine der vorhergenannten Art folgende drei Maßnahmen vor:

1. Auf dem Kolbenboden, rund um die kreisförmige

Kolbenmulde sind nebeneinander mehrere Kanäle

mit einer keilförmigen Kontur auf der Kolben-

bodenebene, die tangential zur Kolbenmulde münden, angeordnet.

Der Boden dieser Kanäle fällt gleichmäßig vom Kolbenrand zur Kanalmündung ab, so daß der Kanalboden bei der Kanalmündung seine tiefste

Stelle erreicht.

Heiterhin sieht die Erfindung vor, daß der Boden der Kanäle auf dem Kolbenboden von der Außen- zu der Innenseite der Kanalkontur zur Kolbenmulde abfällt, wobei die Kanäle im Querschnitt ein we

nig von der Kanalmündung entfernt, ein keilförmiges Profil besitzen und die Kanalwand an der Innenseite der Kanalkontur zur Kolbenmulde entlang steil abfällt, oder ganz senkrecht zur KoI-benbodenebene steht.

Von dem Brennkraftmaschinen-Typ abhängig kann die Kolbenmulde verschieden auf dem Kolbenboden angeordnet sein. Bei einer Brennkraftmaschine mit 3 oder 4 hängenden Gaswechselventilen pro Zylinder ist es zweckmäßig, daß die Kolbenmulde in

der Mitte· des Kolbens angeordnet wird. Bei einer Brennkraftmaschine mit zwei hängenden Gaswechselventilen ist ·β zweckmäßig, daß die Kolbenmulde neben den Kolbenrand angeordnet wird. In diesem

Fall sieht die Erfindung weiterhin vor, daß die Kolbenbodenebene um einen kleinen Winkel zur

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Senkrechten der Zylinderachse geneigt 1st und an ihrer höchsten Stelle neben dem Kolbenrand die Kolbenmulde angeordnet wird.

2. a) Bei einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine wird die Zündkerzenelektroden-Spalte möglichst

in der Achse der Kolbenmulden angeordnet und mittels eines runden und herausragenden Buckels an der Zylinderdecke im Zylinderkopf ein wenig in das Innere der Kolbenmulde angebracht.

b) Bei einer selbstgezündeten Brennkraftmaschine

wird der Kraftstoff von mehreren kleinen Löchern einer Einspritzdüse, die in der Kolbenmulden-Achse angeordnet ist, radial auf der Seitenwand der Kolbenmulde eingespritzt.

3. An entsprechenden Teilen der Brennraumwände der Brennkraftmaschine sind wärmeisolierende und feuerfeste Abdeckungen befestigt.

a) Bei einer fremdgezündeten-Brennkraftmaschine sieht die Erfindung vor, daß an der Wand der Kolbenmulde eine wärmeisolierende und feuerfeste

Abdeckung mit der Form einer Schale befestigt ist und die Wärmeisolations-Leistung dieser Ab deckung bo abgestimmt wird, daß sie bei Dauer-

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vollast der Maschine eine Temperatur, die niedriger als die Zündungs-Temperatur des Gemischen ist, erreicht.

b) Bei einer selbstgezündetan-Brennkraftmaschine

sieht die Erfindung vor, daß an dem Kolbenboden mit Kolbenmulde und sämtlicher Kanäle, sowie an der Zylinderdecke im Zylinderkopf je eine wärmeisolierende und feuerfeste Abdeckung befestigt wird und die Wärmeisolations-Leistung dieser Abdeckungen so abgestimmt wird, daß sie bei Dauer

vollast der Maschine eine Temperatur, die ihre Festigkeit zuläßt, erreicht.

Die wärmeisolierenden Abdeckungen auf den entsprechenden Wänden des Brennraumes können auch mit einem katalytisch wirkenden Material zum

Verbrennungsprozeß kombiniert werden.

c) Die Erfindung sieht auch eine praktische Methode für die wärmeisolierenden Abdeckungen der entsprechenden Brennraumwände vor. Auf die Brenn- raumwände wird eine dünne Schicht von einem ge

eigneten wärmeisolations- und feuerfestem Material, zum Beispiel Keramik, Graphit und anderen, aufgetragen. Die Wärmeisolationsleistung dieser Schicht wird entsprechend den Brennkraftmaschi nen-Typen abgestimmt. Auf diese wärraelsolierende

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-ιο-Ι Schicht ist eine Abdeckung von feuerfestem ¹ Stahlblech befestigt.

f Weiterhin wird die Wirkung der Erfindungsvorschläge, ins-

I besondere bei einer fremd- und einer selbstgezündeten

5 Brennkraftmaschine, im einzelnen erläutert

Bei dem Verdichtungshub des Kolbens wird das Gemisch oder die Luft vor dem ganzen Zylinderraum überwiegend in die i Kolbenmulde gedrängt, wobei das Gas, insbesondere die

i Gasschicht, neben dem Kolbenboden von den Kolbenboden-

i 10 Kanälen tangential in die Kolbenmulde eingeführt wird. sT Hierdurch wird vor der oberen Totpunktstellung des KoI-

1 bens in der Kolbenmulde eine stark rotierende Drall-Strö-

't. mung um die Kolbenmulde-Achse entstehen.

■'■ In der Erfindung vorgesehene Anordnung der Kolbenmulde

0 15 neben dem Rand und an der höchsten Stelle eines Kolbenbo- ; dens, dessen Ebene um einen kleinen Winkel zur Senkrechten dar Zylinder-Achse geneigt ist, kann für eine weitere «j- Verstärkung der Drall-Strömung in der Kolbenmulde beitra-

£ gen.

20 Bei diesem Brennraum ist es besonders zweckmäßig, daß der $■ zum Einlaßventil führende Saugkanal in an sich bekannter

ί Weise so verlauft, daß bei dem Saugtakt des Kolbens eine

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um die Zylinderachse rotierende Dralletrömung in der Richtung der Kanäle auf dem Kolbenboden entstehen wird, wobei eine Verstärkung der rotierenden Dralletrömung in der Kolbenmulde erreicht wird.

Es ist auch zweckmäßig bei diesem Brennraum, daß die Kolbenmulde mit der Form eines Kegelstumpfes mifc gewölbtem Boden gestaltet wird, um eine bessere Abgasspülung der Kolbenmulde zu erreichen.

In der Erfindung vorgesehene Wärmeisolierung der entsprechenden Brennraumwände bringt folgende Vorteile:

a) Die Temperatur dieser Wände erhöht sich, wobei ein Verbrennungsprozeß in dem Brennraum begünstigt wird.

Gleichzeitig vermindern sich:

b) die Wärmeverluste durch die Brennraumwände,

c) die thermische Belastung der entsprechenden Teile der Brennkraftmaschine,

d) die Ablagerung von Verbrennungsrückständen an den Brennraumwänden und

e) der Ausstoß der schädlichen Abgasanteile.

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In einer fremdgezündeten-Brennkraftmaschine verursacht die rotierende Drallströmung in der Kolbenmulde Zentrifugalkräfte im Gemisch, wobei die leichteren Kraftstoffdämpfe sich um die Kolbenmuldenachse konzentrieren und wo nach dem Erfindungsvorschlag die Zündkerzenelektroden-Spalte sich befindet. Infolgedessen und wegen der höheren Temperatur der wärmeisolierten Wände der Kolbenmulde wird die Durchzündung eines sehr mageren Gemisches ermöglicht. Die Zündung des Gemisches in der Mitte eines kompakten

Brennraumes und der dort vorhandenen stark rotierenden

Drallströmung verursachen eine schnelle und gleichmäßige Verbrennung des Gemisches. Mit der schnellen und gleichmäßigen Verbrennung des Gemisches erhöht sich die Klopffestigkeit des Verbrennungs-Prozesses, wobei die Verwen- dung von einem höheren Verdichtungsverhältnis bei dieser Maschine ermöglicht wird. Außerdem soll durch die schnelle Verbrennung des Gemisches in diesem Brennraum die Zündung des Gemisches später als normal vor dem o. T. erfolgen, und da die rotierende Drallströmung in der Kolben- mulde mit der Annäherung dem Kolben zum o. T. sich besonders schnell beschleunigt, wird in der Kolbenmulde eine stark rotierende Drallströmung vor der Zündung erreicht:. Alle diese und vorhergenannten Vorteile der Wärmeisolierung der Wand der Kolbenmulde begründen den höheren thermodynamischen Wirkungsgrad, höhere spezifische Leistung, bessere Laufeigenschaften und kleineren Ausstoß schädlicher Abgasanteile dieser fremdgezündeten-Brenn kraftmaschine.

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Bei einer selbstgezUndeten-Brennkraftmaschine werden der Kolbenboden und Zylinderdecke im Zylinderkopf, wegen ihrer Wärmeisolation, nach kurzer Arbeitszeit der Maschine eine höhere Temperatur erreichen. Die Einspritzung des Kraftstoffes von einer an der Kolbenmulden-Achse stehenden Einspritzdüse mit mehreren radial angeordneten kleinen Löchern auf der hocherhitzten Seitenwand der Kolben-

mulde verursacht eine schnelle Verdampfung des Kraftstoffes in der dort rotierenden Drallströmung, wobei eine schnelle Vermischung und Verbrennung des Kraftstoffes erreicht wird. Mit dieser schnellen Verbrennung des Kraftstoffes nach seiner Einspritzung wird ein mehr kontrollierbarer Verbrennungsprozeß erreicht; das heißt, daß der Verlauf des Verbrennungs-Prozesses und damit der Arbeits gang der Maschine mit dem Ablauf der Kraftstoff-Einsprit zung mehr reguliert werden kann. Alle diese und vorhnrgenannten Vorteile der Wärmeisolierung des Kolbenbodens und Zylinderdecke im Zylinderkopf begründen den! höheren thermodynamischen Wirkungsgrad, höhere spezifische Leistung, bes- sere Laufeigenschaften und kleineren Ausstoß schädlicher Abgasanteile dieser selbstgezündeten-Brennkraftmaschine.

Das Erfindungs-Prinzip wird auf dem Grund der schematisch gezeigten Beispiele an den beigefügten Figuren 1, 2 , 3, 4 , 5 und 6 für eine fremd- und eine selbstgezündete-Brennkraftmaschine weiterhin erläutert.

Fig. 1 zeigt den Querschnitt einer fremdgezündeten Viertakt-Brennkraftmaschine mit zwei hängenden Gaswechsel-

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var^ilen pro Zylinder.

I Fi?. 2 zeigt eine Ansicht von oben auf den Kolben dieser

i Maschine, und mit gestrichelten Linien sind auch die Kon-

* türen des Einlaßkanals (18) und Auslaßkanals (19) gezeigt

; 5 Fig. 3 zeigt einen Schnitt des Kolbenbodens längs durch

'■t einen Kanal auf dem Kolbenboden.

i Fig. 4 zeigt einen Schnitt des Kolbenbodens quer durch

... O einen Kanal auf dem Kolbenboden.

Der Kolben (1) bei oberster Totpunktstellung ragt ein we-10 nig vom Zylinderblock (2) in den Zylinderkopf (3) hinein. Der Boden (17) des Kolbens (1) ist um einen kleinen Winkel (α) zur Senkrechten der Zylinderachse geneigt und an seiner höchsten Stelle, neben dem Kolbenrand (6) wird die Kolbenmulde (4) in der Form eines Kegelstumpfes mit 15 gewölbtem Boden gestaltet. Auf dem Boden des Kolbens (1) ■t sind nebeneinander 8 Kanäle (5), die eine keilförmige

Kontur auf der Kolbenbodenebene (17) besitzen und tangential zur Kolbenmulde (4) münden, angeordnet. Die keilfömige Kontur der Kanäle (5) auf dem Kolbenboden ist vom 20 Kolbenrand (6), einer Außen- (7) und einer Innenseite (8)

zu Kolbenmulde (4) gebildet. Der Boden (9) der Kanäle (5) I fällt gleichmäßig vom Kolbenrand (6) zur Kanalmündung (10)

I ab, so daß der Boden (9) bei der Kanalmündung (10) seine

I tiefste Stelle erreicht. Außerdem fällt der Boden (9)

I 25 der Kanäle (5) voncer Außenseite (7) zu der Innenseite(8) I der Kanalkontur zur Kolbenmulde (4) ab, wobei die Kanäle (5)

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Im Querschnitt ein wenig von der Kanalmündung (10) entfernt/ ein keilförmiges Profil besitzen und die Kanalwand \11) an der Innenseite (8) der Kanalkontur zur Kolbenmulde (4) entlang senkrecht zum Kolbenboden steht. Die Zündkerze (12) wird am Zylinderkopf (3) befestigt, so daß die Zündkerzenelektroden-Spalte (13) auf der Achse der Kolbenmulde (4) angeordnet wird und mittels des runden und herausragenden Buckels (14) an der Zylinderdecke im Zylinderkopf (3) ein wenig in das Innere der Kolbenmulde (4) angebracht wird.

Auf der Wand der Kolbenmulde (4) wird eine dünne Schicht aus Graphit aufgetragen und auf dieser Schicht ist die Schale (15) aus feuerfestem Stahlblech befestigt. Die Graphit-Schicht ist so abgestimmt, daß bei Dauervollast der Maschine die Stahlblech-Schale (15) eine Temperatur von maximal 500*C bis 600⁰C erreicht.

Bei dieser Brennkraftmaschine ist ein Verdichtungsverhältnis von etwa e = 14 bis 15 und die Verbrennung eines mageren Gemisches mit einem Luft-Kraftstoffverhältnis bis zu 22 und mehr vorgesehen. Bei dem Verdichtungs-Hub des KoI- bens (1) wird das Gemisch, insbesondere die Gemisch-Schicht neben dem Boden des Kolbens (1) von den Kanälen (5) tangential in die Kolbenmulde (4) eingeführt, wobei kurz vor der oberen Totpunktstellung des Kolbens (1) in der Kolbenmulde (4) eine «stark rotierende Drallströmung entstehen wird.

Das Gemisch wird durch einen Funken «wischen der Blektroden-

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Spalte (13) der Zündkerze (12) gezündet. Mach kürzerer Arbeitszeit der Haschine erhitzt sich die Stahlblech-Schale (15).

Fig. 5 zeigt den Querschnitt einer selbstgezündeten Viertakt-Brennkraftmaschine mit vier hängenden Gaswechselven tilen pro Zylinder. Fig. 6 zeigt die Ansicht von oben auf den Kolben dieser Maschine und mit gestrichelten Linien die Konturen der Einlaßkanäle (35) und (32) und der Auslaßkanäle (33) und (34).

In der Mitte des Kolbens (20) ist die Kolbenmulde (21)

mit der Form eines Kegelstumpfes mit gewölbtem Boden gestaltet. Auf dem Kolbenboden (37) rund um die Kolbenmulde (21) sind nebeneinander 12 Kanäle (22), die eine keilförmige Kontur auf der Kolbenbodenebene (37) besitzen und

tangential zur Kolbenmulde (21) münden, angeordnet. Die keilförmige Kontur der Kanäle (22) auf dem Kolbenboden (37) ist vom Kolbenrand (23), einerAußen- (24) und einer Innen-Seite (25) zur Kolbenmulde (21) gebildet. Der Boden (31) der Kanäle (22) fällt gleichmäßig vom Kolbenrand (23) zur Kanalmündung (30) in der Kolbenmulde (21) und von der Außenseite (24) zu der Innenseite (25) der Kanalkontur zur Kolbenmulde (21) ab, wobei die Kanäle (22) im Quer- und Längsschnitt je ein keilförmiges Profil besitzen,
wie das bei dem ersten Beispiel gezeigt ist.

Auf dem Zylinderkopf (26) wird die Einspritzdüse (27/ mit 8 radial angeordneten kleinen Löchern befestigt. Auf dem

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Boden des Kolbens (20) und auf der Zylinderdecke des Zylinderkopfs (26) wird eine dünne Schicht von Graphit aufgetragen. Auf dieser Schicht sind die Abdeckungen (28) und (29) aus feuerfestem Stahlblech befestigt. Die Graphitschichten sind so abgestimmt, daß bei Dauervollast der Haschine die Stahlblech-Abdeckungen (28) und (29) eine Temperatur, die ihre Festigkeit zuläßt (ca. 800⁰C bis 900"C), erreichen.
Bei dem Verdichtungs-Hub des Kolbens (20) wird die Luft, insbesondere die Luftschicht neben dem Boden des Kolbens (20) von den Kanälen (22) tangential in die Kolbenmulde (2r) eingeführt, wobei kurz vor der oberen Totpunktstellung des Kolbens (20) in der Kolbenmulde (21) eine stark rotierende Drallströmung entstehen wird. Von der Einspritzdüse (27) wird der Kraftstoff auf der Seitenwand der Kolbenmulde (21) eingespritzt. Nach kurzer Arbeitszeit der Maschine erhitzen sich die Stahlblech-Abdeckungen (28) und (29).

Anlage

4 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Dancho Zochev Diplom-Ingenieur Hessenring 44 Rüsselsheim BRENNKRAFTMASCHINEN - BRENNRÄUME ensprüche

1. Brennkraftmaschine mit hängenden Gaswechselventilen und einem Brennraum, der bei der oberen Totpunktsteilung des Kolbens (1, 20) überwiegend in einer kreisförmigen Kolbenmulde (4, 21) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Kolbenboden rund um die Kolbenmulde (4, 21) und nebeneinander mehrere Kanäle (5, 22) mit einer keilförmigen Kontur auf der Kolbenbodenebene (17, 37), die tangential zur Kolbenmulde (4, 21) münden, angeordnet sind ι

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (9,31) der Kanäle (5, 22) auf dem Kolbenboden vom Kolbenrand (6, 23) zur Kanalmündung (10, 30) gleichmäßig abfällt, so

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daß der Kanalboden (9, 31) bei der Kanalmündung (10, 30) seine tiefsten Stelle erreicht.

3. Brannkraftmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (9, 31) der Kanäle (5, 22) auf dem Kolbenboden von der Außen-(7, 24) zu der Innen-Seite (8, 25) der Kanalkontur zur Kolbenmulde (4, 21) abfällt und die Kanäle 45, 22) im Querschnitt (Fig. 4) ein wenig von der Kanalmündung (10, 30) entfernt, ein keilförmiges Profil besitzen, wobei die Kanalwand (11, 36) an der Innenseite (8, 25) der Kanalkontur zur Kolbenmulde (4, 21) entlang steil abfällt oder senkrecht zur Kolbenbodenebene (17, 37) steht.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, 2 und 3 d a durch gekennzeichnet, daß die

Kolbenbodenebene (17 )um einm bestimmten kleinen Winkel (o) zur Senkrechten der Zylinderachse geneigt ist und an ihrer höchsten Stelle nehen dem Kolbenrand ία) die Kolbenmulde (4) angeordnet ist..

5. Brennkraftmaschine nach Ansprüchen 1,2,3 und 4, insbesondere eine Fremdgezündete-Brennkraftmaschine, d a durch gekennzeichnet, daß die Zündkerzenelektroden-Spalte (13) möglichst in der Achse der Kolbenmulde (4) angeordnet ist.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Zündkerzenelektroden-Spalte (13) mittels eines runden und herausragenden Buckele (14) an der Zylinderdecke im Zylinder- kopf (3) ein wenig in das Innere der Kolbenmulde (4) hineinragt.

7. Brennkraftmaschine nach den vorher genannten Ansprüchen, insbesondere eine Fremdgezündete-Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß an der Wand der Kolbenmulde (4) eine wärmeisolierende und feuerfeste Abdeckung (15) angebracht ist und die Wärmeisolationsleistung dieser Abdeckung (15) so abgestimmt ist, daß sie bei Dauervollast der Maschine eine Temperatur, die niedriger als die Zündungs· temperatur des Gemisches ist, erreicht.

8. Brennkraftmaschine nach den vorher genannten Ansprüchen, insbesondere eine Selbstgezündete-Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Kolbenboden mit der Kolbenmulde (21) und sämtlicher Kanäle (22), sowie an der Zylinderdecke im Zylinderkopf (26) je eine wärmeisolierende und feuerfeste Abdeckung (28, 29) befestigt ist und die Wärmeisolationsleistung dieser Abdeckungen so abgestimmt ist, daß sie bei Dauervollast der Maschine eine Tempe ratur, die ihre Festigkeit zulaßt, erreichen.

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9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7 und 8 dadurch gekennzeichnet , daß die wärmeisolierende Abdeckung der entsprechenden Brennraumwände aus einer wärmelsollerenden Schicht mit entsprechender Wärmeisolationsleistung und darauf befestigter Abdeckung (15-28, 29) von feuerfestem Stahlblech besteht.