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Die Erfindung betrifft eine luftverdichtende Brennkraftkolbenmaschine
mit Kraftstoffeinspritzung, mit im Zylinderkopf angeordneter Vorkammer, gegenüber
deren Öffnung in den Zylinderraum am Kolbenboden eine Prallfläche über den Kolbenboden
vorragend so angeordnet ist, daß die aus der Vorkammer austretenden Brenngase radial
frei nach außen abgelenkt werden.
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Ein wesentliches Problem bei derartigen Brennkraftkolbenmaschinen
liegt darin, das aus der Vorkammer austretende Gemisch aus Brenngasen und unverbranntem
Kraftstoff möglichst schnell und möglichst gleichmäßig im Verbrennungsraum mit der
Verbrennungsluft zu vermischen.
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Um eine gleichmäßige Verteilung des aus der Vorkammer austretenden
Gemisches über die ganze Fläche des Kolbenbodens zu erreichen, ist es bekannt, am
Austritt des Überströmkanals in den Zylinder einen sogenannten Brenner anzubringen,
der radiale düsenartige Öffnungen aufweist, durch welche das Gemisch austritt. Diese
Anordnung ist jedoch sehr störungsanfällig, da nicht nur die Wärmebelastung des
Brenners sehr hoch ist, sondern auch die Befestigung des Brenners im Zylinderkopf
sehr schwierig ist. Außerdem bestehen infolge des geringen Durchmessers der Öffnungen
erhebliche Schwierigkeiten mit der Spülung der Vorkammer.
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Um eine konstruktiv einfachere weniger störungsanfällige Anordnung
zu schaffen, bei der außerdem eine gute Spülung und Ladung der Vorkammer erreicht
wird, ist es bekannt, den Kolbenboden so auszubilden, daß er in Verbindung mit der
Austrittskante des überströmkanals im Bereich der oberen Totpunktstellung des Kolbens,
also etwa während der Einspritzung, einen Drosselringspalt bildet, aus welchem das
Brenngasgemisch radial in den Zylinderraum ausströmt. Um eine bessere Durchmischung
zu erreichen, kann dabei der Kolbenboden gegenüber dem Überströmkanal mit einer
Erhöhung versehen sein, deren Umfangsrand über den Kolbenboden vorsteht, so daß
der Brenngasstrahl fächerförmig frei, d. h. im Abstand vom Kolbenboden in den Verbrennungsraum
strömt. Da die Spaltbreite bei ,dieser bekannten Anordnung sich infolge von Ölkohleablagerungen
oder Verschleiß, z. B. des Brennkammereinsatzes, ändern kann, besteht bei dieser
bekannten Anordnung die Gefahr einer um den Umfang ungleichförmigen Drosselung und
damit um den Umfang ungleichförmigen Verteilung des Brenngases im Verbrennungsraum.
Um dies zu vermeiden, ist es bekannt, den Ringspalt durch am Kolbenboden angeordnete
Rippen, in denen durch Vertiefungen Öffnungen ausgebildet sind, auszubilden. Dadurch
wird der Brenngasfächer in einzelne Radialstrahlen aufgeteilt.
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Diese Radialstrahlen bilden sich erst an der Drosselöffnung im Ringspalt
aus, d. h. sie beschleunigen erst an dieser Stelle und ihre Geschwindigkeit und
ihre genaue Richtung ist außerdem weitgehend von der Kolbenstellung im Augenblick
des Einspritzens und damit von der Einstellung des Einspritzpunktes zum Kolbenhub
abhängig. Es besteht daher die Gefahr, daß durch Veränderung des Einspritzpunktes
oder auch durch die Kolbentätigkeit während des wenn auch kurzen Einspritzzeitraumes
die Strahlen so ausgebildet werden, daß keine gleichförmige Verteilung und einwandfreie
Vermischung mit der Verbrennungsluft gegeben ist. Es ist die der Erfindung zugrunde
liegende Aufgabe, eine derartige Kolbenanordnung zu schaffen, bei welcher unter
allen Betriebsbedingungen mit einer einfachen Konstruktion bei hoher Lebensdauer
eine gleichförmige Verteilung des aus der Vorkammer austretenden Stromes erzielt
wird.
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Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß durch eine Anzahl
von über die ganze radiale Ausdehnung der Prallfläche radial verlaufende Nuten,
die in der Mitte der Prallfläche an der Auftreffstelle des aus dem überströmkanal
ausgetretenen Brenngasstrahls ineinander münden, die aus der Vorkammer austretenden
Brenngase radial frei nach außen abgelenkt werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird also der bereits mit entsprechender
Geschwindigkeit aus dem überströmkanal ausgetretene Brenngasstrahl durch Ablenkung
in den Nuten in einzelne Radialstrahlen zerlegt.
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Da die Geschwindigkeit des aus dem überströmkanal austretenden Brenngasstromes
über eine wesentliche Länge praktisch konstant ist, ist gemäß der Erfindung die
Verteilung und die Geschwindigkeit der einzelnen Teilradialstrahlen von der Kolbenstellung
praktisch unabhängig. Außerdem wird die bereits beim Austritt aus der Vorkammer
in dem Brenngasstrom übertragene kinetische Energie zur Aufteilung in Einzelstrahlen
herangezogen, während gemäß der bekannten Anordnung diese Austrittsenergie aus der
Vorkammer zuerst zu wesentlichen Teilen in statischen Druck umgewandelt wird und
die Aufteilung in Teilstrahlen durch das dabei entstehende Druckgefälle erfolgt.
Da das Druckgefälle auch weitgehend vom Gegendruck, d. h. vom Druck im Verbrennungsraum
abhängt, ist die Aufteilung in Teilstrahlen und deren Strömungsrichtung und Geschwindigkeit
auch von den Vorgängen im Verbrennungsraum selbst weitgehend abhängig.
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Vorzugsweise verlaufen die Böden der Nuten an ihren inneren Enden
derart nach oben, daß sie am Kreuzungspunkt eine in der Mittellinie des Überströmkanals
liegende Spitze bilden. Durch diese erfindungsgemäße Anordnung wird eine noch verlustfreiere
Umlenkung des aus dem Überströmkanal austretenden Brenngasstrahles in die radialen
Teilstrahlen und damit eine größere Geschwindigkeit in den Teilstrahlen selbst erreicht.
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Um den aus dem überströmkanal austretenden Brenngasstrahl möglichst
vollständig in Einzelstrahlen zu zerlegen und diese genau in die gewünschte Richtung
zu führen, haben die Nuten vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt mit ebenem
Boden.
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Der Kolbenboden kann in an sich bekannter Weise eine scheibenförmige
Vertiefung aufweisen, deren Boden sich auf die Mitte zu mit der Prallfläche erhöht.
Durch diese Anordnung wird eine gute Durchwirbelung des Luftbrennstoffgemisches
in Radialebenen im Verbrennungsraum erreicht. Da die Prallfläche einer sehr starken
Wärmebelastung und einem sehr starken Verschleiß unterworfen ist, ist sie vorzugsweise
die Oberfläche eines, wie bekannt, in einer Mittelbohrung im Kolbenboden eingesetzten
wärmebeständigen Kopfbolzens.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt F i g.1 einen vertikalen Teilschnitt durch
eine luftverdichtende
Brennkraftkolbenmaschine gemäß Erfindung,
F i g. 2 eine Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß Fig. 1.
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Ein Zylinder 10 weist einen zylinderförmigen Einsatz 11 auf,
wie in F i g. 1 gezeigt ist. Innerhalb dieses Einsatzes 11 ist ein Kolben 12 vorgesehen,
welcher sich in der in F i g. 1 gezeigten Stellung in seiner oberen Totlage befindet.
Ein nur teilweise gezeigter Motorblock 13 weist ein herkömmliches Ventil
14
und ein weiteres Ventil 15 auf. In der Mitte dieses Blockes ist
eine Vorkammer 16 vorgesehen, in welcher der Brennstoff unter Druck in zeitlich
genau abgestimmten Intervallen durch eine Einspritzdüse 17 eingespritzt wird, deren
Ende in F i g. 1 gezeigt ist. Der Brennstoff wird unter dem Einfluß der Kompressionshitze
entzündet; bei seinem Verbrennen und bei seiner Ausdehnung werden die Brenngase
durch den Überströmkanal 18 in die Hauptkammer geführt, in welcher sich die Brenngase
weiter ausdehnen, so daß der Kolben einen Krafthub durchführen kann. Der gezeigte
Kolben ist herkömmlicher Bauart. Der Kolbenboden weist eine scheibenförmige Vertiefung
20 auf, deren Boden sich zur Mitte hin erhöht. In eine Mittelbohrung im Kolbenboden
ist ein wärmebeständiger Kopfbolzen 21 eingesetzt, dessen Oberfläche als
Prallfläche dient. Da auf diesen wärmebeständigen Kopfbolzen die Brenngase treffen.
wird der Hauptteil des Kolbens, welcher aus leichterem und weniger dauerhaften Aluminium
oder aus einer Aluminiumlegierung besteht, geschützt. Der wärmebeständige Kopfbolzen
21 ist an sich bekannter Weise mittels einer Mutter 22 am Kolben befestigt.
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Es ist eine Anzahl von über die ganze radiale Ausdehnung der Prallfläche
radial verlaufenden Nuten (23) vorgesehen, die in der Mitte der Prallfläche an der
Auftreffstelle des aus dem Cberströmkanal18 ausgetretenen Brenngasstrahls ineinandermünden.
Hierbei verlaufen die Böden der Nuten 23 an ihren inneren Enden derart nach oben,
daß sie im Kreuzungspunkt eine in der Mittellinie des überströmkanals
18 liegende Spitze 24 bilden. Diese Spitze befindet sieh koaxial mit
dem überströmkanal l.8 der Vorkammer. Infolge dieser Ausbildung wird der aus dem
überströmkana118 der Vorkammer austretende Brenngasstrahl durch die Nuten 23 derart
aufgeteilt, daß eine Anzahl von Strahlen entsteht, welche radial über den Außenumfang
der scheibenförmigen Vertiefung des Kolbenbodens hinaus in der durch die Pfeile
in F i g. 2 angegebenen Weise geführt werden. Diese Strahlen durchdringen die Luft
innerhalb der Hauptkammer und verursachen eine Turbulenz bzw. Durchwirbelung der
Luft. Damit ergibt sich eine gründliche Vermischung des nicht verbrannten Brennstoffes
mit dem Sauerstoff, welcher für seine Verbrennung erforderlich ist. Die Anzahl,
Größe und genaue Ausbildung der Nuten 23 ändert sich in Abhängigkeit von der Form
des Kolbens und des Verbrennungsraumes des Motors. Die Spitze 24 wird in der Weise
gebildet, daß die Nuten mit einem kleinen, zylinderförmigen Fräser entsprechend
gefräst werden, so daß jede Nut in einem nach oben gerichteten Bogen abgeschlossen
werden kann, wie dies in F i g. 1 gezeigt ist. Es ist zweckmäßig, daß die Nuten
eine relativ große Tiefe aufweisen, dergleichen auch gut ausgebildete Seitenwände,
so daß die Nuten im wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt mit ebenem Grund aufweisen,
um dadurch keine wellige Oberfläche, sondern ausgeprägte bzw. scharfe Kanäle zu
erhalten. Solche Kanäle können die Trenngase in einem strahlenförmigen Muster einschließen,
anstatt daß sich die Brenngase über den Kolbenkopf ausbreiten. Dieser Strahleffekt
trägt zur Turbulenz bzw. Durchwirbelung und zur vollständigen Vermischung des Brenngases
mit dem Sauerstoff bei.
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Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist darin zu sehen, daß
die Aufteilung der Brenngase in Strahlen an dem Kolbenkopf oder dicht an demselben
stattfindet, wenn der Brennstoff während des Krafthubes des Kolbens zurückströmt.
Da der Überströmkanal der Vorkammer für die Zuführung von Verbrennungsluft während
des Kompressionshubes des Kolbens zur Verfügung steht, kann auf diese Weise die
einleitende Verbrennung an der Düse 17 unterstützt werden.
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Die Vorrichtung gemäß Erfindung ist einfach und billig herzustellen
und gewährleistet eine vollständige Verbrennung. Die Brennkraftkolbenmaschine gemäß
Erfindung kann für Motoren verschiedener Konstruktionen benutzt werden und weist
keine Teile auf, die zum Bruch neigen oder eingestellt bzw. ausgetauscht werden
müssen.