DE2550495A1

DE2550495A1 - Ventilgesteuerte verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE2550495A1
Application number: DE19752550495
Authority: DE
Inventors: Edward August Mayer
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Priority date: 1974-11-15
Filing date: 1975-11-11
Publication date: 1976-05-20
Also published as: JPS5159111A; FR2291361A1; IT1048733B; BR7507431A; CA1048878A; SE7512763L; US4009702A; GB1504783A

Description

Patentassessor Hamburg, den 30.10.1975

Dr. Gerhard Schupfner

Deutsche Texaco AG

2000 Hamburg 13

Mittelweg 180 T 75 047 D (D 74,

TEXACO DEVELOPMENT CORPORATION 135 East 42nd Street New York, N.Y. 10017 U.S.A.

Ventilgesteuerte Verbrennungskraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine ventilgesteuerte Verbrennungskraftmaschine der Einzylinder- oder Mehrzylinderbauart mit Kraftstoffeinspritzung. In jedem Zylinder gleitet ein mit Kolbenringen und ölabstreifringen versehener Kolben, der an seiner Stirnfläche eine Aussparung aufweist.

Sinn derartiger Aussparung in der Kolbenstirnfläche ist es, den Schichtladungsbetrieb bei Verbrennungskraftmaschinen zu ermöglichen. Man erhält durch räumliche. Unterteilung des Verbrennungsraumes Zonen unterschiedlicher Gemischzusammensetzungen. Darüberhinaus wird der zeitliche Ablauf der Verbrennung beim Schichtladungsbetrieb beeinflußt.

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Es ist bekannt, daß der Schichtladungsbetrieb bei Verbrennungskraftmaschinen eine Reihe von Vorteilen bringt. Dazu zählt in erster Linie der erweiterte Bereich an verwendbaren Brennstoffen. Weiterhin läßt sich der Brennstoff besser dosieren, so daß bei der nachfolgenden Verbrennung ein höherer Wirkungsgrad und damit ein Optimum an Leistung pro eingesetztem Brennstoff erzielt wird.

Es ist weiterhin bekannt, daß über die Steuerung der Brennstoff- und Luftzufuhr die Zusammensetzung der Abgase hinsichtlich ihrer umweitschädigenden Bestandteile regulierbar ist. Luftverschmutzende Bestandteile, wie NO und CO, können

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dabei derart vermindert werden, daß ihre Mengen mit den strengen gesetzlichen Richtwerten im Einklang stehen.

Zur Erleichterung des Verbrennungsprozesses werden bekanntermaßen Hohlräume oder Aussparungen in die Kolbenstirnfläche eingearbeitet. Derartige Hohlräume dienen nicht nur als Vorverbrennungsraum, sondern auch als Wirbelkammer für die zugeführte Verbrennungsluft.

Nach US-PS 3 094 974- wird ein Verfahren zur Erhöhung des Wirkungsgrades einer Verbrennungskraftmaschine beschrieben, bei dem ein verwirbelter Luftstrom mit einer bestimmten Brennstoffmenge in den Verbrennungsraum eingegeben wird.

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Die Verwirbelung der Luft wird hierbei durch ein speziell geformtes, ummanteltes Ventil erzielt. Der schnellrotierende Luftstrom wird von der Einspritzdüse in den Bereich der Zündkerze gebracht und mit Hilfe der Wandflächen des Verbrennungsraumes geführt.

Es ist demnach bekannt, daß ein Hohlraum im Kolben einer Verbrennungskraftmaschine die Verwirbelung von einströmender Luft verstärkt. Darüberhinaus kann Luft bei Eingabe in den Verbrennungsraum durch besondere Formgebung des Einlaßventils und der Einlaßöffnung in Rotation versetzt werden. Darauf wird während des Kompressionstaktes die Verwirbelung durch Zusammenpressen der Luft in dem Verbrennungsraum und in dem kleineren Kolbenhohlraum weiter verstärkt.

Man hat verschiedene Formen von Hohlräumen in KoIbenStirnflächen getestet. Dabei wurden jedoch keine geeigneten Kriterien für die gewünschte Einspeisung gefunden. Bekannte Hohlraumausbildungen weisen eine Becherform auf, die über zylindrisch geformte Wandungen mit der Kolbenoberfläche in Verbindung steht. Ebenso sind auch kugelförmige Hohlräume in der Kolbenoberfläche bekannt. Beide Formen dienen entweder als Vorverbrennungskammer oder dazu, die Luftverwirbelung durch den Hohlraum und durch den eigentlichen Verbrennungsraum zu beschleunigen.

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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Wirkungsgrad einer Verbrennungskraftmasctiine zu verbessern und den Einsatzbereich verwendbarer Kraftstoffe zu vergrößern. Die Einspeisung und Verbrennung von Luft und Brennstoff soll unter kontrollierten Bedingungen erfolgen, wobei der Verbrennungsvorgang möglichst gleichförmig und beschleunigt ablaufen soll. Der Schadstoffanteil im Abgas soll ein Minimum annehmen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß während deS^E₁XnIaßtaktes verwirbelte Luft in den Verbrennungsraum eingegeben wird. In die Stirnfläche des Kolbens ist ein Hohlraum eingearbeitet, dessen Zentralachse im wesentlichen parallel zur Kolbenachse verläuft und dessen öffnung an der Kolbenstirnfläche mündet.

Jeder Kolben ist zusätzlich mit.mindestens einer und vorzugsweise mehreren Aussparungen versehen.' Diese sind so angeordnet, daß Luft in ihnen aufgenommen werden kann, die von der Zentralkammer abgezogen und während des Arbeitstaktes . in den Verbrennungsraum gelangt ist. Die Luft, die über und durch die zusätzlichen Aussparungen fließt, wird in Turbulenz verwirbelt und dient zur besseren Durchmischung der Einspeisung. Dadurch wird eine gleichmäßigere Verbrennung begünstigt,

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Im folgenden wird die Erfindung anhand mittlerer Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Querschnitt durch eine Zylindereinheit des erfindungsgemäßen Motors, wobei der Kolben im oberen Totpunkt steht.

Fig. 2 einen kompletten mehrzylindrigen Fahrzeugmotor in Seitenansicht.

Fig. 3 Querschnitt entsprechend Fig. 1 mit dem er-. - »■ findungsgemäß ausgebildeten Kolben nach Verlassen des oberen Totpunkts.

Fig. 4· vergrößerter Teilquerschnitt' der Kolbenstirnfläche aus Fig. 3.

Fig. 5 vergrößerte Draufsicht auf die Kolbenstirnfläche des erfindungsgemäßen Kolbens nach Fig. 1.

Fig. 6 Querschnitt durch die Kolbenstirnfläche entlang der Linie AA von Fig. 5·

Fig. 7 Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Kolbenoberfläche des erfindungsgemäßen Motors.

Fig. 8 Querschnitt durch die Kolbenstirnfläche der Ausbildung nach Fig. 7 entlang der Linie BB.

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Die Erfindung wird an einem mehrzylindrigen Reihenmotor demonstriert, der mit Brennstoffeinspritzung ausgerüstet ist. Die Ubersichtszeichnung (Fig. 2) zeigt einen 4— Zylindermotor 10, der mit Brennstoff aus einem Tank 15 über eine Einspritzpumpe 12 und Einspritzleitungen J6 versorgt wird. Die Einspritzpumpe 12 wird über ein Gaspedal 11 gesteuert.

Die Ansaugluft wird über einen Luftfilter 14 und Ansaugtrichter 15 an die verschiedenen Zylinder herangeführt. Heiße Abgase werden durch Abgassammler 16 an einen katalytischen Konverter oder Schalldämpfer 17 vor Abgabe an die Atmosphäre geleitet.

Im Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Motor nach Fig. 1 wird ein Motorblock 22 und Zylinderwand 21 gezeigt, in der ein Kolben 23 gleitend geführt ist. Der Kolben weist eine Kolbenstirnfläche 24- und einen Kolbenschaft 26 auf. Der Kolben ist über Kolbenbolzen 20 und Pleuelstange 19 mit dor Kurbelwelle verbunden.

In der üblichen Weise ist ein Kompressionsring 27 und ein ölabstreifring 28 in den hierfür vorgesehenen Nuten am Kolbenmantel vorgesehen.

Ein Zylinderkopf 3^ ist mit dem Motorblock 22 mittels

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Zylinderkopfdichtung 29 lösbar verbunden. Im Zylinderkopf ist ein Einlaßventil 32 und ein Auslaßventil 32a (Fig. 3) angeordnet. Die Ventile werden in üblicherweise über eine Ventilsteuerung betätigt in Übereinstimmung mit den Arbeitstakten des Motors.

In den Zylinderkopf ist eine Einspritzdüse 33 mit einer öffnung 34 eingeschraubt. Die öffnung 34 ragt in den Verbrennungsraum 40 hinein und ist in Bezug auf den Kolben an geeigneter Stelle placiert. Die Einspritzdüse 33 ist über Einspr_kitzleitung 36 an die Einspritzpumpe 12 angeschlossen und erhält entsprechend den Arbeitstakten periodisch Brennstoff für die Verbrennungskammer.

Die Zündanlage wird im erfindungsgemäßen Beispiel durch eine Zündkerze 37 dargestellt, die mit ihren Elektroden bis an die Öffnung y± der Einspritzdüse 33 heranragt. Diese Anordnung ergibt sich aus der speziellen Funktion der Zündkerze J>7 im erfindungsgemäßen Motor. Dabei soll eine brennfähige Brennstoff-Luftmischung unmittelbar in einem abgegrenzten Raum gezündet werden, wobei die Luft aus dem Verbrennungsraum 40 und der Brennstoff aus der Einspritzdüse geliefert wird.

"Die Arbeitsweise sei nun anhand von Fig. 5 in Verbindung mit Fig. i und 3 erläutert. Zunächst wird ein rotierender oder

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verwirbelter Luftstrom in die Verbrennungskammer 40 eingeleitet. Die Rotation oder Verwirbelung kann durch besondere, bereits oben beschriebene Verwirbelungseinrichtungen an Einlaßventil 32 oder durch andere Strömungseinrichtungen erzielt werden. Jedenfalls soll die Luft nach Verlassen des Einlaßventils 52 im Zylinder heftig herumwirbeln.

Im Kolben 23 ist am oberen Ende eine Hauptkammer 38 eingearbeitet, wobei die Längsachse der Kammer J>8 vorzugsweise nicht_mit der Kolbenmittelachse zusammenfällt. Wie aus dem dargestellten Beispiel hervorgeht, wird die Hauptkammer 38 durchweinen zylindrisch geformten Becher gebildet, dessen Durchmesser D wesentlich kleiner als der Kolbendurchmesser ist.

Wie bereits erwähnt, wird während des Kompressionstaktes ein Teil der schnell wirbelnden Luft aus der Verbrennungskammer 40 in die Hauptkammer 38 gedrängt. Im darauf folgenden Arbeitstakt gelangt eine Flammenfront ebenso wie Luft_fund Verbrennungsgase in die Hauptkammer 38 und von dort wieder in den Verbrennungsraum zurück. Dabei sollte beachtet, werden, daß bei einer mageren Gemischeinstellung in der Hauptkammer 38 eine nahezu vollständige Verbrennung stattfindet und daß überschüssige Luft aus anderen Teilen der Kammer 40 nicht an dem Verbrennungsprozeß teilnehmen.

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Durch die Überleitung des schnell wirbelnden Luftstromes aus der Verbrennungskammer 40 in die relativ kleine Kammer 38 wird die Rotationsgeschwindigkeit der Luft und die Flammenausbreitung wesentlich gesteigert. Ebenso begünstigt dies eine beschleunigte Verbrennung der eingespeisten Gasmenge.

Nach Abschluß des Vorganges wird durch die Eingabe einer bestimmten Brennstoffmenge durch Düsenöffnung 37 in. Kammer die Entstehung einer örtlich begrenzten, brennbaren Brennstoff-Luftmischung in unmittelbarer Nachbarschaft der Einspritzdüse 33 ausgelöst. Die Brennstoffeinspritzung wird in dem Augenblick vorgenommen, wenn der Kolben 23 nahezu den oberen Totpunkt erreicht hat. Die Dauer der Brennstoffeinspritzung wird durch die Zeit ausgedrückt, die der Kolben benötigt, wenn die Kurbelwelle um einen bestimmten Winkelgrad gedreht wird. Die Einspritzung hält während mehrerer Kurbelwellen-Winkelgrade an. Während sich die Brennstoff-Luftmischung schnell aus der Nähe der Einspritzdüse zur Zündkerze 37 hin ausbreitet, wird diese gezündet und^rdadurch die Verbrennung des Gemisches eingeleitet. Die Flammenfront schreitet vor den expandierenden Verbrennungsgasen über die Außenwände der Hauptkammer 38 hinweg und breitet sich weiter in der Verbrennungskammer aus.

Bei Zugabe von größeren Brennstoffmengen entsteht ein fettes Brennstoff-Luftgemisch,und die Luft in Kammer 38 reicht nicht aus, um eine vollständige Verbrennung zu erreichen.

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In diesem Fall spült das verwirbelte, brennende.brennstoffreiche Gemisch über die Oberkante 35 der Kammer 38. Jedoch ist zusätzliche Luft im Verbrennungsraum 40 oberhalb von Kammer 38 verfügbar. Die Erklärung für das Übertreten der wirbelnden und brennenden Mischung über die Oberkante 35 ist darin zu sehen, daß Zentrifugalkräfte auf die Gasmasse wirken und der Kolben abwärts aus seiner oberen Totpunktslage gezogen wird.

Normalerweise wird das überströmende Gas-Luftgemisch verhältnismäßig wenig zum Fortgang der Verbrennung beitragen. Bei dem erfindungsgemäß ausgestalteten Kolben nach Fig. 4 wird jedoch die radial fließende Luft und das heiße Gas nach Überströmen der Kante 35 in. eine· Reihe von zusätzlichen Nebenkammern 41, 42, 43 und 43a gezogen. Diese Nebenkammern sind in der Kolbenoberfläche eingearbeitet und außerhalb der Hauptkammer 38 in Umfangsrichtung angeordnet. Sie sind dabei so geformt, daß der Eintritt von überströmen-

f der Luft leicht möglich ist und sogar eine zusätzliche Zirkulationsbewegung erzeugt wird. Durch diese Turbulenz der Luft und des Gases kann die Vermischung mit dem eingespritzten Brennstoff verbessert werden.

Zusätzlich wird durch die induzierte Verwirbelung die Vermischung der verschiedenen Gase begünstigt 'und dadurch der Verbrennungsgrad bei der nachfolgenden Verbrennung.

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Die Verwirbelung in Kammer 40 setzt sich fort um die Zylindersymmetrieachse und begünstigt dadurch wiederum den Mischprozeß.

Wie in den Ausführungsbeispielen von Fig. 1, 3, 4, 5 und 6 gezeigt, ist die Kolbenoberfläche 24 mit mehreren gebogenen Nuten oder Vertiefungen 41, 42 und 43 ausgerüstet, die sich in radialer Richtung in einem gewissen Abstand voneinander um die Hauptkammer 38 legen. Weiterhin kann aus den Beispielen entnommen werden, daß diese Vertiefungen einheitlich voneinander entfernt sind und einen wesentlichen Teil der Kolbenoberfläche bedecken. Diese Anordnung ermöglicht die angestrebte turbulente Strömung, wenn der Kolben aus dem oberen Totpunkt zurückweicht.

Die verschiedenen Vertiefungen in der Kolbenoberfläche sind in ihrer Tiefenabmessung konstant gehalten. Von der Hauptkammer 38 aus gesehen ist die erste Vertiefung 43 mit einer Einlaßkante 44 versehen, die, von der Kolbenoberfläche 24 ausgehenden Abwärtsrichtung des Kolbens geneigt ist, so daß eine ebene, die Hauptkammer 38 kegelförmig umschließende ■ Einlaßkante 44 entsteht. Konzentrisch zu dieser inneren Vertiefung 43 sind, benachbarte Vertiefungen 41 und 42 angeordnet, um die schnell fließenden, aufwirbelnden Luftmassen aus der inneren Vertiefung 43 aufzunehmen. Dadurch wird die Strömung zum Zylinderkopf hin abgelenkt und eine,überall wirkende turbulente Atmosphäre über der Kolbenoberfläche erzielt. Die segmentartigen, bogenförmigen Vertiefungen

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können dabei abgerundet oder mit geeigneten Vorsprüngen versehen sein, um die rotierenden, überströmenden Luftmassen zusätzlich abzulenken.

In der Fig. 5 wird in die Einspritzdüse 33 und Zündkerze 37 unmittelbar nebeneinander angeordnet und ermöglichen dadurch die Zündung des gewünschten reichen Brennstoff-Luftgemisches direkt innerhalb der Hauptkammer 38 und innerhalb des verwirbelnden Luftstromes. In einer bevorzugten Anordnung ragt die Einspritzdüse 33 i*¹ einem bestimmten Winkel in den Verbrennungsraum, wobei der Winkel so gewählt ist, daß die Einspritzung in Gegenstromrichtung zum verwirbelnden Luftstrom folgt. Durch die Einspritzung einer bestimmten Brennstoffmenge entsteht dann eine örtlich begrenzte Brennstoffanreicherung mit einem zündfähigen Brennstoff/Luftverhältnis.

Eine abgewandelte Ausführungsform wird in Pig. 7 gezeigt. Dabei ist die ebenfalls zylindrisch geformten Haup_ftkammer 46 jedoch nur von einer ringförmigen Vertiefung 47 umgeben. Diese Vertiefung ist kontinuierlich ohne Unterbrechnung vollständig um die Hauptkammer 46 herumgeführt. Wenn der Kolben 48 aus seinem oberen Totpunkt nach unten geht, kann das überströmende Luft- und Gasgemisch in diese ringförmige Vertiefung einfließen. Analog zur Einlaßkante 44 aus Fig. 5> und 6 ist in diesem Beispiel in Fig. 7 und Fig. 8 eine " Einlaßkante 49 gezeigt, die ebenfalls von der Eolbenober-

hin fläche 24 ausgehend zur Kurbelwellenebene/abfällt und da-

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durch das Überfließen der Gase aus Kammer 46 erleichtert. Weiterhin wird durch die schräg auslaufende Kante 49 der Übergang in den Boden der Aussparung 47 strömungstechnisch verbessert, so daß keine unerwünschte und bremsende Wirbelbildung entstehen kann. Wenn der Kolben 48 aus dem oberen Totpunkt zurückgeht, wird die Luft aus Kammer 46 über die Lippe 51 entfernt und dabei in Turbulenz versetzt, um die gewünschte Vermischung mit Brennstoff und dadurch eine gleichmäßigere und schnellere Verbrennung der gesamten Einspeisung zu erreichen.

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Claims

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Patentansprüche

/ 1./Ventilgesteuerte Verbrennungskraftmaschine der Einzylinder- oder Mehrzylinderbauart mit Kraftstoffeinspritzung, wobei der in einem Zylinder gleitend geführte Kolben an seiner Stirnfläche eine Aussparung ausweist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung aus einer Hauptkammer und mindestens einer Nebenkammer zur Aufnahme des während des Arbeits-

taktes aus der Hauptkammer ausfließenden und dabei verwirbelnden Brennstoff-Luftgemisches besteht.

2. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenkammern konzentrisch um die Hauptkammer angeordnet sind und zwischen jeder Nebenkammer ein Steg zur räumlichen Trennung der Kammern untereinander angeordnet ist.

5. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenkammer jeweils als bogenförmige Aussparung in der Kolbenoberfläche eingearbeitet ist.

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4. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche Λ bis 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptkammer aus einer zylindrischen, glattwandigen Bohrung in der Kolbenoberflache besteht.

5· Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Nebenkammern (41, 42, 43) als geschlossene ringförmige Vertiefung um die Hauptkammer angeordnet ist.

6. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß jede der ringförmigen Ringkammern kontinuierlich um die Hauptkammer angeordnet ist.

7· Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmig um die Hauptkammer angeordneten Nebenkammern aus einer zum Rolbenmantel hin abfallenden Ringseitenwand (44, 49) bestehen, wogegen die Hauptkammer im wesentlich eine senkrecht geneigte Seitenwand aufweist.

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