DE3100036A1

DE3100036A1 - "hubkolbenbrennkraftmaschine"

Info

Publication number: DE3100036A1
Application number: DE19813100036
Authority: DE
Inventors: Rudolf 1860 Aigle Müller
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-01-03
Filing date: 1981-01-02
Publication date: 1982-06-09
Also published as: EP0042841A1; IT1134848B; WO1981002038A1; CH651631A5; JPS56138417A; EP0042841B1; US4433647A; IT8026861A0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit mindestens einem Brennraum, einem entsprechenden Kolben, einer Wirbelkammer kugeliger oder eiförmiger Form im Zylinderkopf am oberen Ende des Brennraums und einer Zündvorrichtung für die wer· dichteten Gase, uelche in die Wand der Wirbelkammer eingebaut ist.

Wan kennt Otto-Motoren mit einer Wirbelkammer im Zylinderkopf oberhalb des Brennraums. Beispielsweise beschreibt die uor Prüfung ueröffentlichte deutsche Patentanmeldung Nr. 2624211 einen Motor mit einer

üJirbelkammer ziemlich dreh-ellipsoidaler Form, die vermittels einer rohrförmigen Leitung mit dem Brennraum in Verbindung steht. Die unter der Nummer 2420033 veröffentlichte französische Patentanmeldung beschreibt einen Motor derselben Art, der eine Ausnehmung aufweist, die über einen langgezogenen Kanal mit dem oberen Bereich des Brennraums in Verbindung steht. Die vor Prüfung veröffentlichte deutsche Patentanmeldung Nr.254 2942 beschreibt einen Motor, der eine ÜJirbelkammer aufweist, die im Zylinderkopf zwischen dem Brennraum und dem Auslaßventil angeordnet ist.

Alle diese Vorrichtungen haben zum Ziel, eine bessere Homogenität des mit einem LuftüberschuQ angereicherten Kraftstoffgemischs zu begünstigen. Nun weiß man, daß. die Anhebung der Verdichtung und der Luftüberschuß im Kraftstoffgemisch einen besseren Wirkungsgrad des Motors hervorrufen und eine nicht zu vernachlässigende Reduzierung des Gehalts an Giftstoffen in den Auspuffgasen erlauben. Dies liegt im Wesentlichen in einer besseren Verbrennung begründet und zieht auf an sich bekannte Art und Weise eine nicht zu vernachlässigende Minderung des Kraftstoffverbrauchs des Motors nach sich.

Ziel der Erfindung ist eine Perfektionierung dieser Motor-Art, die eine Verbesserung der Homogenität des Gemischs erlaubt, einen Betrieb bei sehr hohem Verdichtungsverhältnis zuläßt und den Kraftstoffverbrauch noch weiter senkt.

In diesem Sinne ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelkammer mit dem Brennraum über mindestens einen im Zylinderkopf angeordneten Kanal in Verbindung steht, der tangential am Boden der Wirbelkammer unter gleichzeitiger Verjüngung ausläuft, derart, daß.ein bevorzugter Fluß des in den Raum eintretenden Kraftstoffgemischs verursacht wird und daß ein Zyklonwirbel geordneter Art dieses Gemischs um die

Symmetrieachse des Raums herum ausgelöst wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsart meist ein 4-Takt-Verbrennungsmotor zwei tangentiale Kanäle auf, die mit dem Eintritt zur Wirbelkammer in Verbindung stehen» wobei jeder dieser Kanäle seinen Ursprung in unmittelbarer Nähe des Einlaß- bzui. AuslaßventijLs hat und sich verjüngt, um tangential längs der Wand der Wirbelkammer in.unmittelbarer Nähe der Eintrittsöffnung dieser Kammer auszumünden. Die Tiefe der Kanäle v/erläuft ziemlich umgekehrt progressiv/ zur Breite. Vorzugsweise weisen die Kanäle längs ihres konkaven Randes eine größere Tiefe auf, als längs ihres konvexen Randes. Diese verschiedenen Anordnungen erlauben es einerseits, einen beschleunigten Gemischfluß zu erlangen und andererseits einen Fluß, der tangential ins Innere der Wirbelkammer mündet, und schließlich einen Fluß, welcher in Richtung des Kammerbodens leicht geneigt ist. Alle diese Maßnahmen haben zum Zweck, eine spiralförmige Zirkulation im Inneren der Wirbelkammer zu erzeugen.

Gemäß einer besonderen Ausführungsart der Erfindung ist die Zündvorrichtung an einer der Wände der Wirbelkammer angebracht und eine Kraftstoff-Direkteinspritzuhgsvorrichtung ist am geschlossenen Ende der Wirbelkammer montiert, ziemlich in der Verlängerung der Längsachse dieser Kammer. Diese besondere Anordnung erlaubt es, eine Schichtung des Gemischs zu erzielen, das heißt eine Konzentrierung des kraftstoffreichsten Anteils an der Spitze der Wirbelkammer. Dieses Mittel ermöglicht eine beträchtliche Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses des Motors und erlaubt infolge cTessen die Erzielung eines stark verbesserten Wirkungsgrads des Motors.

Zum besseren Verständnis der Erfindung dienen anliegende Ausführungsbeschreibungen mit entsprechenden zeichnerischen Darstellungen, bei denen bedeuten:

Fig. 1: eine Teilansicht des Unterteils eines Zylinderkopfs eines 4-Takt-Motors gemäG der Erf indung_f

Fig. 2: einen Schnitt gemäß der Linie A-A von Fig.1,

Fig. .3.A und 3B: einen Schnitt gemäß den Linien B-B und C-C der Fig.1,

Fig. 4: eine Teil-Schnittansicht einer anderen Ausführung'sart eines 4-Takt-Motors gemäß der Erfindung, ·

Fig. 5: eine Teil.-Schni ttansicht einer Variante eines 4-TaKt-MOtOrS gemäß der Erfindung mit einer K raftstoff- Direkt ein spri tzungsvorrichtung,

Fig. 6: eine Teil-Schnittansicht im Längsschnitt eines 2-Takt-Motors gemäß der Erfindung, und

Fig. 7: eine Ansicht won unten des Zylinderkopfs des 2-Takt-Wotors gemäß Fig. 6.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 3 weist der Block eines 4-Takt-flotors 10, der, tail/ueise in Schnittansicht dargestellt ist, uier Brennräume vi 1 auf, in die -s uier Kolben 12 montiert sind. Ein Zylinderkopf deckt den motorblock 10 ab und weist uier Einlaßventile 14, vier Auslaßventile 15, sowie den Antriebsmechanismus (nicht dargestellt) dieser Ventile auf. In an sich bekannter Weise sind Kühlkanäle 16 in den Motorblock 10 und den Zylinderkopf 13 eingearbeitet, um die Kühlung des Motors während dessen Betriebs zu gewährleisten. Eine Wirbelkammer 17 eiförmiger Ausführung befindet sich im Zylinderkopf und mündet in den oberen Bereich des Brennraums über eine ziemlich kreis förmige Bohrung 18. Eine Zündkerze 19 befindet sich am oberen Ende der Wirbelkammer 17, und zwar in deren Achse XX'.

Zwei Kanäle 20 und 21 verlaufen am unteren Rand des Zylinderkopfes 13, bzw. zwischen dem Sitz des Einlaßventils 14 und demjenigen des Auslaßventils 15. Diese beiden Kanäle münden ziemlich tangential in die Öffnung 18 der Wirbelkammer 17. Die Breite dieser bei-

den Kanäle nimmt zwischen ihrem Ursprung (nahe der Ventile) und ihrem Ende (nahe der öffnung 18) ab. Dies erlaubt die Erzielung eines Düseneffekts, d.h. eine Beschleunigung der Gasströmung zum Zeitpunkt deren Eintritts in die Wirbelkammer. Die Tiefe dieser Kanäle ändert sich ziemlich im umgekehrten Maße wie deren Breite, um den Gasstrom besser zu führen und zu leiten, »damit er eine beschleunigte spiralförmige Bewegung im Inneren der Wirbelkammer erhält. Wie es schließlich insbesondere Fig. 3A und 3B zeigen, wei-.sen die Kanäle eins Tiefe auf, die an ihrer konkauen Seite größer ist als an der konvexen Seite. Dies erlaubt ebenfalls eine bessere Führung des Gasstroms, sowie am Eintritt der Wirbelkammer 17 die Erzielung eines stark beschleunigten und praktisch zu den Wänden dieser Kammer tangential verlaufenden Stroms.

Bei einem 4-Takt- Motor hat man festgestellt, daß es vorteilhaft, aber nicht unbedingt erforderlich ist, jeden Zylinder mit Kanälen 20 und 21 zu versehen. Es könnte der Bau eines Motors ins Auge gefaßt werden, der nur den Kanal 20 für jeden Zylinder aufweist.

In dem unter Bezug auf Fig. 1 beschriebenen Beispiel ist die Zündkerze gemäß der Achse XX¹ der Wirbelkammer am oberen Ende derselben angeordnet, was es erlaubt, eine progressive Entzündung der Masse der verdichteten Gase zu erzielen, was eine Ausbreitung der Hitze zur Masse des Kraftstoffgemischs, bevor dieses maximal verdichtet ist, verhindert. In anderen Worten wird .die Selbstzündung beträchtlich verzögert oder ganz verhindert, was es erlaubt, den Wirkungsgrad des Motors zu vergrößern.

In dem mit Fig. 4 illustrierten Beispiel ist die Zündkerze 19 in einer Bohrung 22 untergebracht, die*längs der Seitenwand der Wirbelkammer 17 eintaucht. Der Zündpunkt befindet sich dabei hinter der Wand der Wirbelkammer. Man hat festgestellt, daß diese Maßnahme von besonderem Nutzen war aufgrund des starken Zyklon-

uiirbels im Inneren der Wirbelkammer, welcher ausreichend stark ist, um den zwischen den Elektroden der Zündkerze entstehenden Zündfunken auszublasen.

Laut bestimmter Theorien bewirkt der im Inneren der Wirbelkammer erzeugte Zyklon eine fliehkraftbedingte Verdrängung der" Kraftstoffteilchen zur Wand der Wirbelkammer hin. Di-e Folge davon ist der Aufbau eines angereicherten Gemischs im Bereich nahe der Kammerwände, weshalb es uon Interesse ist, die Zündkerze seitlich im Verhältnis zur Wirbelkammer anzuordnen.

Des weiteren ist ein Hohlraum 23 am oberen Ende des Kolbens 12 angeordnet mit dem Ziel, die eiförmige Ausbildung der Wirbelkammer 17, die an ihrem unteren Ende abgeschnitten ist, zu vervollständigen.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 5 unterscheidet sich von derjeniger der Fig. 4 dadurch, daß sie eine Kraftstoff-Direkteinspritzungsvorrichtung 24 aufweist, die am oberen Ende der Wirbelkammer 17 in deren Achse XX' angeordnet ist. Diese Ausführungsart erlaubt die Erzielung einer Schichtung des Gemischs, wobei sich die Konzentration des angereicherten Teils im oberen Bereich der Wirbelkammer 17 befindet. Oiese Vorrichtung erlaubt eine progressive Entzündung des Kraftstoffgemischs, ausgehend vom angereichertsten Anteil in Richtung auf den magersten Bereich zu, was eine exzellente Ausbreitung der Verbrennungsflamme gewährleistet und eine beträchtliche Herabsetzung der üblichen Grenzen der Selbstzündung erlaubt.

Unter Bezugnahme auf Fig. 6 und 7 weist der teilweise dargestellte 2-Takt-Motor einen Zylinder 31 auf mit einem Kolben 32, einem mit einer Wirbelkammer 34 ausgestatteten Zylinderkopf 33, wobei sich diese Kammer z.B. in Kugelform darstellen kann, und eine Zündvorrichtung 35, die in die Spitze der Wirbelkammer 34 einmündet. In diesem Fall hat der KoI-

46'

ben 32 eirve Ausnehmung 36, die in seiner Mitte angeordnet und derart dimensioniert ist, daß die Wirbelkammer 34 und die Ausnehmung 36 sich v/ervollständigen, damit sie zusammen einen kugelförmigen Hohlraum bilden, u/enn der Kolben 32 sich in OT-Stellung befindet. Bei diesem Beispiel sind drei symmetrisch um die Wirbelkammer 34 angeordnete Kanäle 36, 37 und 38 an der Unterseite des Zylinderkopfes vorhanden, um den Eintritt-eines bevorzugten tangentialen Gasflusses in das Innere der Wirbelkammer zu erlauben. Wie vorbeschrieben weisen die Kanäle eine Breite auf, die abnimmt in dem Maße, in dem ihre Tiefe auf Höhe der Öffnung der Wirbelkammer 34 zunimmt. Ebenso ist die Tiefe der Kanäle auf der konkaven Seite größer, als die, die auf der konvexen Seite zu messen ist.

Der erfindungsgemäße Motor erlaubt eine Lösung des Problems des Klingeins der Otto-Motoren mit hoher Verdichtung. Die Verbrennung erfolgt in zuiei Phasen. Die erste Phase verläuft wie bei den Otto-Motoren bei einer Geschujindigkeit von 20 bis 30 m/s. Diese erste Phase ist limitiert auf die Wirbelkammer, aufgrund des Eindringens des Gemischs, bis zum Aufbau eines Überdrucks in dieser Kammer. Während des.entsprechenden Zeitabschnitts wird der Hauptanteil des Gemischs weiter verdichtet, ohne daß die durch den Beginn der Verbrennung in der Wirbelkammer entstehende Abstrahlungsiuärme diese Masse an verdichtetem Gemisch erreichen kann. Wenn sich der Kolben seinem oberen Totpunkt nähert, verjüngt sich der Querschnitt der Eintrittskanäle in die Wirbelkammer. Zu diesem Zeitpunkt breitet sich die Verbrennung durch die Wirbelkammer aus und baut einen schnellansteigenden Überdruck auf, der sich vornehmlich durch die verjüngten Kanäle entlädt, die eine Verbindung zwischen der Brennkammer und dem Brennraum herstellen. Die Geschwindigkeit der Gase erreicht dabei ca. 100 m/s. Auf diese Weise wird eine Menge entflammten Gases mit hoher Geschwindigkeit außerhalb der Wirbelkammer

geworfen, um sich unter die stark verdichtete Masse oberhalb des Kolbens zu mengen.

Aufgrund des verstärkten Eindringens der entflammten Gasfront bildet sich eine starke Turbulenz im verbliebenen noch nicht entzündeten Gemisch, was eine schlagartige Verbrennung dieses Gemischs verhindert. Die Front der entflammten Gase erreicht innerhalb sehr kurzer Zeit" extrem hohe Geschwindigkeiten. Sobald der Kolben nach unten gedrückt ist, erweitert sich die Öffnung der Wirbelkammer, derart, daß die Hinausführung der Gase und deren Expansion normal und ohne Lastverlust erfolgen können.

Der erfindungsgemäQe Motor fällt vollständig in den Rahmen der derzeitigen Bemühungen hinsichtlich der Energieeinsparung und der Reglementierungen auf dem Gebiet der Schadstoffemission in den Abgasen von Kraftfahrzeugen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1/ Hubkolbenbrennkraftmaschine mit mindestens einem Brennraum, einem entsprechenden Kolben, einer Wirbelkammer kugeliger oder eiförmiger Form im Zylinderkopf am oberen Ende des Brennraums und einer Zündvorrichtung für die verdichteten Gase, welche in die Wand der Wirbelkammer eingebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelkammer mit dem Brennraum über mindestens einen Kanal in Verbindung steht, der in den Zylinderkopf eingearbeitet ist und tangential unten unter Verjüngung in'die Wirbelkammer einmündet, derart, daß ein bevorzugter Strom des Kraftstoffgemischs, das in die Kammer eintritt, hervorgerufen wird und daß ein ge-

ordnetef Zyklonwirbel dieses Gemischs urn die Symmetrieachse der Kammer herum ausgelöst wird.
2. 4-Takt-Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei tangentia-

'Ie^-Kanäle aufweist, die mit dem Eintritt in die Wirbelkammer in Verbindung stehen, wobei jeder die- ' ser Kanäle seinen Ursprung in unmittelbarer Nähe eines Einlaß--bzw. Auslaßventils hat und wobei die Breite dieser Kanäle am Ursprung ziemlich gleich dem Durchmesser des entsprechenden Ventils ist und sich kontinuierlich in Richtung auf die Wirbelkammer hin verjüngt, wohingegen die Tiefe dieser Kanäle ziemlich umgekehrt proportional zu ihrer Breite sich verhält.
3. Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle längs ihres konkauen Randes eine größere Tiefe aufweisen als längs ihres konvexen Randes.
4. Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündvorrichtung am geschlossenen Ende der Wirbelkammer ziemlich in der Verlängerung der Längsachse dieser Kammer angeordnet ist.
5. Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelkammer seitlich im Verhältnis zur Achse des Brennraums versetzt angeordnet ist.
6. Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündvorrichtung längs einer Seitenwand der Wirbelkammer angeordnet ist.
7. Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie zudem eine am geschlossenen Ende der Wirbelkammer vorgesehene Kraftstoffeinspritzeinrichtung aufweist, die ziemlich in der Verlärrjerung der Längsachse dieser Kammer angeordnet ist.
8. 2-Takt-Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Symmetrieachse der Brennkammer auf der gemeinsamen Achse des Zylin-. ders und der Zünduorrichtung liegt und daß die Werbindungskanäle zwischen Brennraum und Wirbelkammer sich auf mindestens drei belaufen, wobei letztere symmjs'trisch und tangential um die Mittenöffnung der lüirbelkamnrer angeordnet sind.