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DE2652662A1 - Verbrennungskraftmaschine mit einem hin- und hergehenden kolben - Google Patents

Verbrennungskraftmaschine mit einem hin- und hergehenden kolben

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DE2652662A1
DE2652662A1 DE19762652662 DE2652662A DE2652662A1 DE 2652662 A1 DE2652662 A1 DE 2652662A1 DE 19762652662 DE19762652662 DE 19762652662 DE 2652662 A DE2652662 A DE 2652662A DE 2652662 A1 DE2652662 A1 DE 2652662A1
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diameter
inlet
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Lister & Co Ltd R A
RA Lister and Co Ltd
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Description

PATE N TANWALFE 76 52 66 2
DR.- I NG. H. H. Wl LH ELM - D I P L. - I N G. H. D A U ST E R D-7000 STUTTGART 1 - GYMNASIUMSTRASSE 31B - TELEFON (07 11) 29 1133
Stuttgart, den 18. November 1976 P 5i68/5a Dr.W/Ei
Anm.; R.A. Lister & Company Ltd.
of Long Street,
Dursley, Gloucestershire, GL 11 England
Verbrennungskraftmaschine mit einem hin- und hergehenden
Kolben
Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine und insbesondere auf einen Kolben, der in seinem Kopfbereich mit einer Verbrennungskammer ausgerüstet ist.
Es ist bekannt, Verbrennungskammern im Kopf eines Kolbens anzuordnen (siehe z.B. die GB-PS 696 371 und 1 012.924), in die der Kraftstoff durch eine Sprühdüse eingespritzt wird. Es ist in der Fachwelt bekannt, daß die kleinste Veränderung- in der Form dieser Verbrennungskammer eine sehr tiefgreifende Wirkung auf die Eigenschaften der Verbrennungskraftmaschine haben kann, wie beispielsweise die Startfähigkeit, die Zusammensetzung der Abgase bei verschiedenen Belastungen, auf den Kaltlauf und auf ein gutes Teillastverhalten«, Bei der Auslegung einer Verbrennungskammer kommt es wesentlich darauf an, daß sie sowohl die gewünschten Ergebnisse Dringt, als auch wirtschaftlich hergestellt werden kann. Dabei ist noch verhältnismäßig einfach, eise Verbrennungskammer so auszulegen, daß sie außerordentlich wirksam ist; diese Verbrennungs-
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kammer aber im Kolbenkopf so auszubilden, daß die Herstellungskosten nicht zu hoch werden, ist wesentlich schwieriger.
Man hat deshalb, wie beispielsweise aus der Fig. 9 der FR-PS 1 078 961 hervorgeht, schon vorgeschlagen, die Verbrennungskammer in einem Einsatz anzuordnen, der dann in einer Ausnehmung im Kolbenkopf aufgenommen wird. Es ist jedoch sehr schwierig, einen solchen Einsatz festzuhalten und nahezu unmöglich, die notwendige Relativstellung zwischen Verbrennungskammer und Kolben einzuhalten. Darüber hinaus bringt die Anordnung eines Einsatzes auch größere Herstellkosten mit sich. Der Einsatz der FE-PS 1 078 961 leidet zwar unter den genannten Nachteilen, weist aber das nützliche Merkmal einer Einlaßöffnung für die Verbrennungskammer auf, die kleiner im Durchmesser ist als der Nenndurchmesser der Verbrennungskammer. Der kleinere Durchmesser wird aber durch die Anordnung einer dünnen, nach innen gerichteten Lippe erreicht, die an die Einlaßöffnung anschließt. Die Wirksamkeit der Verbrennungskammer hängt nun wesentlich von der Temperatur des unmittelbar an die Einlaßöffnung angrenzenden Bereiches der Verbrennungskammer ab. Um die Temperatur in den gewünschten Grenzen zu halten, ist es notwendig, daß Wärme aus diesem Bereich abgeführt wird, um eine überhitzung zu vermeiden. Die dünne Lippe der Verbrennungskammer der genannten französischen Patentschrift wird insbesondere an ihrer Peripherie sehr hohen Betriebstemperaturen ausgesetzt und diese Temperaturen übeii, einen gegenläufigen Effekt auf die Kraftstoff verdampfung, auf den generellen Verlauf der Verbrennung und auf die metallische Festigkeit der Lippe selbst aus. Es ergibt sich auch ein sehr scharfer Übergang zwischen der Verbrennungskammerwand und der Lippe und das wird fast sicher dazu führen, daß die Turbulenz in dieser sehr kritischen Zone der Verbrennungskammer reduziert wird. Diese Turbulenzverminderung kann möglicherweise durch die Anordnung eines konischen Bodens in der Verbrennungskamme abgeschwächt werden. Die Anordnung eines solchen Bodens aber erhöht nicht nur die Herstellungskosten, sondern auch die Trägheit des Kolbens.
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In der GB-PS 1 012 924 sind die Seitenwandausnehmungen der Verbrennungskammer in einem senkrechten Schnitt konkav. Das hat sich weitgehend als zufriedenstellend erwiesen, aber diese konkaven Ausnehmungen bringen eine Herstellungsschwierigkeit mit sich und lassen das Problem der hohen Temperaturen an der die Einlaßöffnung der Verbrennungskammer umgebenden Lippe nicht vermeiden. Dazu kommt, daß der Verbrennungsgrad, der durch eine solche Verbrennungskammer erreicht wird, insbesondere bei Maschinen mit einer Zylinderbohrung von 85 mm und darunter, nicht zufriedenstellend ist, da die Kraftstoffeinlaßdüse dazu neigt, sich zu überhitzen, so daß der mittlere Wirkungsgrad und die Betriebssicherheit der Düse reduziert werden. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbrennungskammer in kleinen Kolben so auszubilden, daß die Nachteile älterer Ausführungsformen und die Nachteile, die vorher erwähnt wurden, abgeschwächt werden können.
Die Erfindung besteht bei einem Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine, der in seinem Kopfbereich eine Verbrennungskammer aufweist, die eine Einlaßöffnung an der Kolbenoberfläche einen flachen Boden und eine Seitenwand besitzt, die mit mehreren konkaven Ausnehmungen zur Bildung von Kuppen versehen ist, die sich zum Zentrum der Verbrennungskammer hin erstrecken und mit zusätzlichen Teilstücken, die zwischen den konkav gebogenen Bereichen und der Kolbenoberfläche vorgesehen sind, darin, daß diese zusätzlichen Teilstücke auf der Mantelfläche eines gedachten Kegels liegen, dessen Spitze oberhalb der Kolbenoberfläche angeordnet ist.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn die sich zur Bildung der schräg liegenden Teilstücke der Kuppen schneidenden Ausnehmungen zackenförmige Vorsprünge an der Kante der Einlaßöffnung bilden, die innerhalb eines gedachten Kreises liegen, auf dem die radial am weitesten außen liegenden Punkte jeder Kuppe in gekannter Weise angeordnet sind und wenn der Durchmesser dieses gedachten Kreises einen mittleren Durchmesser der Einlaßöffnung definiert, der etwa
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50% - 60% des Durchmesser des Kolbens mißt. Vorteilhaft ist es außerdem, wenn die Bereiche der Ausnehmung, die sich zur Bildung der schräg verlaufenden Teilstücke der Kuppen schneiden, Kegelmantelflächen sind. Dabei soll der Radius des Kegels, von dem die Ausnehmung ein Teil ist, an der Einlaßöffnung 40% - 45% des mittleren Durchmessers der Einlaßöffnung betragen. Zweckmäßig wird der Abstand zwischen dem flachen Boden und der Einlaßöffnung - in Axialrichtung des Kolbens gemessen - 25% - 40% des mittleren Durchmessers der Einlaßöffnung aufweisen. Der abgerundete Bereich jeder Kuppe wird zweckmäßig in dem Bereich, wo er in den Boden der Verbrennungskammer einläuft, mit einem Radius versehen, der 45% - 55% des axialen Abstandes zwischen Boden und Einlaßöffnung aufweist* Eine vorteilhafte Anordnung ergibt sich, wenn der Neigungswinkel des schrägen Teilstückes jeder Kuppe 5° - 10° gegenüber einer senkrecht zum flachen Boden stehenden Geraden beträgt.
Die Erfindung betrifft auch die Verbrennungskraftmaschine selbst, die mit einem in einem Zylinder hin- und hergehenden Kolben versehen ist, der eine Verbrennungskammer in seinem Kopfbereich aufweist, die eine Einlaßöffnung an der Kolbenoberfläche, einen flachen Boden und eine Seitenwand besitzt, die mit mehreren konkaven Ausnehmungen ausgestattet ist, welche zum Zentrum der Verbrennungskammer hin weisende Kuppen zwischen sich bilden, die wiederum mit vom Boden aus nach oben laufenden abgerundeten Bereichen und mit geneigtes Teilstücken versehen sind, die zwischen den abgerundeten Bereichen und der Kolbenoberfläche verlaufen, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß diese schräg verlaufenden Teilstücke der Kuppen auf einem gedachten Kegel liegen, der seine Spitze oberhalb der Kolbenoberfläche hat« Der Zylinder ist dabei mit einer länglichen Einlsßdüse für den Brennstoff versehen, die zuT Hauptachse der Verbrennungskammer geneigt angeordnet ist und swar so, daß ihre Achse in der oberen Totpunktlage des Kolbens den Boden "der Verbresamingskaiamer ganz nahe im Bereich der Hauptachse Verbrennungskammer schneidet. Sie kann den Boden vorteilhaft sinea Punkt schneiden„ der von der Hauptachse der Verbrennungs-
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kammer nicht mehr als 4% des mittleren Durchmessers der Einlaßöffnung entfernt ist und sie kann so ausgebildet sein, daß Kraftstoff auf jede Kuppe oder auf die Wand der Verbrennungskammer in einem Bereich 20° auf einer Seite von jeder Kuppe gesprüht wird.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben, das "in der beigefügten Zeichnung dargestellt ist. Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Kolben mit einer in seinem Kopfbereich angeordneten Verbrennungskammer gemäß der Erfindung und
Fig. 2 einen Querschnitt durch den Kolben der Fig. 1 längs der Linie II-II der Fig. Λ und zwar in der oberen Totpunktlage des Kolbens im Zylinder.
In den Fig. 1 und 2 ist ein Kolben 1 in seinem Kopfbereich mit einer Verbrennungskammer versehen, die einen flachen Boden 2 und eine Wand mit vier identischen Ausnehmungen 3 besitzt, die Teilflächen je eines Kegels sind. Die Ausnehmungen 3 haben abgerundete untere Flächenbereiche 3a·, die stufenlose Übergänge zum flachen Boden 2 bilden. Die Ausnehmungen 3 schneiden sich untereinander und bilden vier Kuppen 4, die ebenfalls mit abgerundeten Teilbereichen 4a und schräg verlaufenden Teilstücken 4b versehen sind. Diese schräg verlaufenden Teilstücke 4b liegen auf der Oberfläche eines gedachten Kegels 5* dessen Spitze oberhalb der Kolbenoberfläche 1a liegt.
Eine Kraftstoffeinspritzdüse 6 ist in einem abnehmbaren Kopf 7 eines Zylinders 8 für den Kolben 1 unter einem geeigneten Winkel angeordnet. Die Düse 6 ist so angeordnet, daß ihre Achse 9 den flachen Boden 2 in einem Punkt schneidet, der ganz nahe an der Hauptachse Y der Verbrennungskammer liegt und siehst - in einem Vertikalschnitt längs der Linie II-II betrachtet - schräg angeordnet. Die Düse 6 kann natürlich auch schräg liegend in einer senkrechten Ebene angeordnet sein, die längs der Linie Z-Z der
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Fig. 1 verläuft. Die Düse sendet eine Anzahl von Sprühstrahlen 10 aus, die auf die Anzahl der Ausnehmungen 3 abgestimmt sind. Diese Sprühstrahlen sind so angeordnet, daß sie die Ausnehmungen 3 der Verbrennungskammer jeweils entweder auf den Kuppen 4 oder bis zu einem Winkel von 20 auf den Seiten der Kuppen treffen. Um die maximale Verbrennungsleistung zu erreichen, hängt der Winkel, unter dem die Sprühstrahlen die Verbrennungskammer treffen, auch sehr stark von dem Drall und von dem Turbulenzgrad der Verbrennungsluft und der Gase ab, die ihrerseits wieder auf den Eigenschaften der Maschinenkonstruktion beruhen.
Die oberen Kanten der Ausnehmungen 3 bilden eine mit Zacken versehene Einlaßöffnung 12 für die Verbrennungskammer, deren radial äußersten Teile auf einem gedachten Kreis liegen, der mit der Bezugszahl 13 versehen ist. Im Gegensatz zu der Einlaßmündung für den Kolben, der in der GB-PS 1 012 924 und in der FE-PS 1 078 961 beschrieben ist, besitzt diese Mündung nicht die Form einer Lippe und es wird dadurch eine wesentlich bessere Wärmeleitung von der Mündung weg und eine bessere Verbrennungsleistung erreicht. Außerdem kann durch die schlichte und einfache Gestaltung der Verbrennungskammer der vorliegenden Erfindung die Herstellung des Kolbens einfacher dadurch gestaltet werden, daß die Bildung einer Mündungslippe und einer abgerundeten Unterseite der Lappe vermieden ist. Die Verbrennungskammer kann durch maschinelle Bearbeitung des Kolbens oder schon während des Gußes des Kolbens hergestellt werden.
Die Verbrennungskammer der vorliegenden Erfindung bringt auch eine vorteilhafte Betriebstemperaturerniedrigung der Düse 6 mit sich. Stellt man einen Vergleich mit dem Kolben an, der in der GB-PS 1 012 924 beschrieben ist, so kann die Betriebstemperatur der Düse etwa um 30°C erniedrigt werden. Diese Temperaturerniedrigung führt zu einer Verbesserung der Betriebssicherheit der Maschine und verlängert die Lebensdauer der Düse.
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In der Zeichnung ist nur eine ganz allgemeine Ausgestaltung gezeigt, die aber entscheidende Verbesserungen im Hinblick auf die Verbrennung gegenüber bekannten Kolben erzielt. Die tatsächlichen
Abmessungen der Verbrennungskammer bestimmen aber im wesentlichen den Verbrennungswirkungsgrad. Es hat sich gezeigt, daß ein zufriedenstellendes Verhältnis zwischen Kolbendurchmesser B und mittleren Mündungsdurchmesser d etwa bei d=O,5~O,6xD liegt. Wird also d für einen vorgegebenen Kolbendurchmesser bestimmt, dann haben sich folgende Abmessungsbereiche, bezogen auf d, als zufriedenstellend erwiesen:
1 = 0,25 - 0,40 χ d s = 0,40 - 0,45 χ d
f = 0-0,04 xd in jeder Sichtung
rund um die Hauptachse Y der Verbrennungskammer
r = 0,45 - 0,55 x 1
Der neigungswinkel oC des schrägen Teilstückes 4b jeder Kuppe 4 ist vorteilhaft 5° - 10° gegenüber der Kolbenachse P.
V/enn es gewünscht sein soll, können ,drei oder fünf oder auch mehr kurvenförmige Ausnehmungen 3 vorgesehen werden. Bei zunehmender Anzahl von Ausnehmungen fällt das Verhältnis zwischen s und d ab.
Mit der Verbrennungskammer der vorliegenden Erfindung kann sowohl eine niedrigere Düsen- und Einlaßöffnungstemperatur erzielt, als auch der zur Verfügung stehende Luftdrall besser ausgenutzt werden, was zu einem verbesserten Kraftstoffverbrauch und zu sauberen Abgasen führt.
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- M:
L e e r s e i t e

Claims (1)

  1. Ansprüche
    Kolben für eine Verbrennungskraftmaschin'e, der in seinem Kopfbereich mit einer Verbrennungskammer versehen ist, die eine in der Kolbenoberfläche mündende Einlaßöffnung, einen flachen Boden und eine mit mehreren konkaven Ausnehmungen versehene Seitenwand aufweist, in der die Ausnehmungen durch Kuppen gegeneinander getrennt sind, die zur Mitte der Verbrennungskammer hin gerichtet sind und konkav gebogene, vom Boden nach oben verlaufende Bereiche und zusätzliche Teilstücke besitzen, die sich zwischen den konkav gebogenen Bereichen und der Kolbenoberfläche erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Teilstücke (4b) auf der Mantelfläche eines gedachten Kegels (5) liegen, dessen Spitze oberhalb der Kolbenoberfläche (la) angeordnet ist.
    Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich zur Bildung der zusätzlichen Teilstücke (4b) der Kuppen (4) schneidenden Ausnehmungen (3) zackenförmige Vorsprünge an der Kante der Einlaßöffnung (12) bilden, die innerhalb eines gedachten Kreises (13) liegen, auf dem die radial am weitesten außen liegenden Stellen jeder Kuppe in bekannter Weise angeordnet sind, und daß der Durchmesser dieses gedachten Kreises (13) einen mittleren Durchmesser (d) der Einlaßöffnung definiert, der etwa 50% - 60% des Durchmessers (D) des Kolbens (1) mißt.
    Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche der Ausnehmung (3)5 die sich zur Bildung der schräg verlaufenden zusätzlichen Teilstücke (4b) der Kuppen (4) schneiden, Teile der Mantelflächen von Kegeln sind.
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    Ii
    4. Kolben nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius des Kegels, von dessen Mantelfläche die Ausnehmung (3) ein Teil ist, an der Einlaßöffnung (12) 40% - 45% des mittleren Durchmessers (d) der Einlaßöffnung beträgt.
    5· Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- * kennzeichnet, daß der Abstand (€) zwischen dem flachen Boden (2) und der Einlaßöffnung (12) - in Axialrichtung des Kolbens (1) gemessen - 25% - 40% des mittleren Durchmessers (d) der Einlaßöffnung beträgt.
    6. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der abgerundete Teil (4a) jeder Kuppe in dem Bereich, wo er in den Boden (2) der Verbrennungskammer einläuft, mit einem Radius (r) versehen ist, der 45% bis 55% des axialen Abstandes (1) zwischen Boden und Einlaßöffnung (12) beträgt.
    7. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel (06) der schräg liegenden Teilstücke (4b) jeder Kuppe (4) 5° bis 10° gegenüber einem senkrecht zum flachen Boden (2) stehenden Winkel beträgt.
    8. Verbrennungskraftmaschine mit einem Zylinder mit einem hin- und hergehenden Kolben, der mit einer Verbrennungskammer in seinem Kopfbereich versehen ist, die eine Einlaßöffnung an der Kolbenoberfläche, einen flachen Boden und eine Seitenwand besitzt, in der mehrere konkave Ausnehmungen zur Bildung von zum Zentrum der Verbrennungskammer hin gerichteten Kuppen angeordnet sind, die konkav abgerundete Bereiche aufweisen, die vom Boden ausgehen und zusätzliche Teilstücke, die sich zwischen diesen abgerundeten Bereichen und der Kolbenoberfläche erstrecken und bei der der Zylinder mit einer, länglichen Einlaßdüse für den Brennstoff versehen ist, die zur Hauptachse der Verbrennungskammer geneigt angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Teilstücke (4b) schräg liegen
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    -αα-
    •und sich längs der Mantelfläche eines gedachten Kegels (5) erstrecken, der seine Spitze außerhalb der Kolbenoberfläche (6a) hat, und daß die Einlaßdüse (6) im Zylinder so angeordnet ist, daß ihre Achse (9) in der oberen Totpunktlage des Kolbens (i) den flachen Boden (2) der Verbrennungskammer in der Nähe der Hauptachse (Y) der Verbrennungskammer schneidet.
    9· Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilbereiche der Ausnehmungen (3), die sich zur Bildung der schräg liegenden Teilstücke (4b) der Kuppen (4) schneiden, zackenförmige Vorsprünge rund um die Einlaßöffnung (12) bilden, die innerhalb eines gedachten Kreises (13) liegen, auf dem der radial äußerste Punkt jeder Kuppe in bekannter Weise angeordnet ist, daß der Durchmesser dieses Kreises (13) einen mittleren Durchmesser (d) der Einlaßöffnung definiert, der 50% bis 60% des Durchmessers (D) des Kolbens (1) beträgt und daß die Achse (9) der Einlaßdüse (6) so angeordnet ist, daß sie den Boden (2) in einem Punkt schneidet, der von der Hauptachse (Y) der Verbrennungskammer um einen Betrag von weniger als 4% des mittleren Durchmessers (d) der Einlaßöffnung entfernt ist.
    10. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 8 oder 9? dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßdüse (6) so ausgebildet ist, daß Kraftstoff auf jede Kuppe (4) gesprüht -wird«
    ο Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 8 oder 9? dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßdüse (6) so ausgebildet ist, daß Verbrennungskraftstoff bis zu einem Winkel von 20° zu einer Seite jeder Kuppe (4) auf die Wand der Verbrennungskammer gesprüht wird ο
DE2652662A 1976-09-23 1976-11-19 Brennkraftmaschine Expired DE2652662C2 (de)

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