DE2558761A1

DE2558761A1 - Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE2558761A1
Application number: DE19752558761
Authority: DE
Inventors: John Morgan Cobb; Edward Mitchell
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Priority date: 1975-01-06
Filing date: 1975-12-24
Publication date: 1976-07-08
Also published as: US4018194A; GB1519647A; JPS5183917A; FR2296768A1; IT1054017B

Description

Patentassessor Hamburg, den 19. Dez. 1975

Deutsche Texaco AG /pi/sg

2000 Hamburg 13

Mittelweg 180 T 75 061 (D 73,820-F)

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

Verbrennungskraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine, die aus mindesten einem Zylinder mit Kolben und einer Verbrennungskammer besteht, in die Brennstoff eingespritzt wird zur Erzeugung einer brennfähigen'Brennstoff-Luft-Mischung.

Beim Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen mit Brennstoffeinspritzung ist es notwendig, eine optimale Brennstoff-Luft-Mischung zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades einzustellen. Die Herstellung der Brennstoff-Luft-Mischung geschieht normalerweise dadurch, daß die Verbrennungsluft im Zylinder verdichtet und eine gewünschte Brennstoffmenge in die Kammer eingegeben wird. Der Brennstoff wird normalerweise unter Druck als konzentrierter oder dispergierter Sprühstrom eingespritzt, wobei die Ausbildung des Sprühstromes von der Lage der Brennkammer und anderen Verfahrensbedingungen abhängt.

Es ist bekannt, eine bessere Verbrennung durch Ausbildung einer tassenährilichen Vertiefung in der Kolbenoberfläche zu erzielen. Die Vertiefung dient gleichzeitig zur besseren Vermischung des Brennstoffs ir.i.t der verdichteten Luft und zur Er-

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reichung eines gleichmäßigen Verbrennungsablaufes.

Ein Nachteil dieser tassenartigen Vertiefung liegt in der wärmetechnischen Konstruktion. Sobald ein komprimierter Brennstoffstrom in die tnssenartige Vertiefung eingespritzt wird , tritt eine Berührung mit den relativ kalten Wänden der tassenartigen Vertiefung ein. Dadurch wird ein Teil des Brennstoffstroms zu kleinen Teilchen kondensiert. Diese steigern den Rauchanteil in den Abgasen.

Ein weiterer Nachteil ist, daß Brennstoff in kondensierter oder tröpfchenartiger Form eine zusätzlich Misch- und Brennzeit benötigt, wenn Rauchbildung im Abgras verhindert werden soll. Ein anderer Faktor, der zur Steigerung des Rauchanteiles beiträgt, besteht in dem Unvermögen, Ruß, der sich in der Verbrennungskammer gebildet hat, während des Arbeitstaktes zu verbrennen. Auch dieser Nachteil läßt den Wunsch entstehen, Brennstoffteilchen, die durch den Aufprall des Brennstoffs auf die Wände der Verbrennungskammer entstehen, zu vermeiden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Verbrennung eine: Brennstoff-Luft-Mischung schneller und einheitlicher durchzuführen, wobei entstehende Abgase nur einen minimalen Anteil an Rauch enthalten. Die am Verbrennungsablauf beteiligten mechanischen Teile sollen einer möglichst gleichmäßigen Wärmebeanspruchung ausgesetzt werden, um Wärmerisse oder Energieverluste zu vermeiden.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht im wesentlichen darin, daß in jedem Kolben der Verbrennungskraftmaschine an der Kolbenstirnfläche ein ausgesparter Raum eingeformt ist, in den ein tassenartiger Einsatz fest eingepreßt wird. Dieser Einsatz ist gegenüber dem Kolbenkörper wärmetechnisch gut isoliert, um einen Wärmeverlust der Kolbenwände zu vermeiden.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Kolbens wird verhindert, daß sich der eingespritzte Brennstoff an den Kolben-

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flächen abkühlt und auskondensiert. Die Rauchanteile im Abgas werden im Vergleich zu anderen Verbrennungskraftmaschinen mit Kolbenmulden stark herabgesetzt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von mehreren Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Zylindereinheit einer Verbrennungskraftmaschine,

Fig. 2 ein vergrößerter Querschnitt entsprechend Fig. 1, Fig. 5 eine alternative Kolbenausbildung zu Fig. 2,

Fig. 4 bis 7 zeigen weitere Ausführungsbeispiele für den erfindungsgemäßen Einsatz in die Kolbenmulde.

In der in Fig. 1 dargestellten Zylindereinheit ist in dem Motorblock 10 und in der Zylinderwand 11 ein Kolben 12 beweglich angebracht. Die Zylinderwände werden mit Kühlkanälen 13 zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Betriebstemperatur versehen. Das Kühlmedium zirkuliert kontinuierlich durch die verschiedenen Kanäle.

Zur Untersützung dieses Kühlverfahrens kann zusätzlich öl von der Kurbelwellenschmierung von unten gegen den Kolben 12 gespritzt werden. Das abtropfende öl nimmt Wärme aus dem Kolben und aus den Zylinderwandungen auf und leitet die Wärme an die Ölwanne weiter.

Das obere Ende des Motorblocks 10 ist mit einem Zylinderkopf ausgerüstet, der einen Einlaß 17 und ein Ventil 16 zur Eingabe von Luft oder einer Brennstoff-Luft-Mischung in die Verbrennungskammer 18 und Kolbenraum 24 aufweist.

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Der Zylinderkopf ist mit einer Brennstoff-Einspritzdüse 19 versehen, die mit einer Brennstoffquelle 23 und einer Pumpe 22 sowie einer Steuernocke 21 zur Eingabe von Brennstoff während des Kompressions- und Arbeitstaktes ausgerüstet ist. Selbstverständlich ist die Verbrennungskraftmaschine auch mit einem Zündsystem ausgerüstet, das in der- Fig. 1 nicht gezeigt ist.

Einzelheiten des Verbrennungsablaufes sind in US-PS 2 484 009 beschrieben. Luft wird durch Einlaßventil 16 in Verbrennungskammer 18 eingegeben und dort verwirbelt. Während des Kompressionstaktes wirbelt die Luft in der Verbrennungskammer 18 bis der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht hat. Zu dieser Zeit wirbelt der Luftstrom beschleunigt in dem mit einem reduzierten Durchmesser versehenen, tassenartigen Kolbenraum 24 des Kolbenkopfes.

Kuizvor Erreichen des oberen Totpunktes wird Brennstoff in den Verbrennungsraum eingespritzt. Die Einspritzung wird für eine gewisse Zeit aufrecht erhalten, wenn schon der Kolben 12 in Ausführung des Arbeitstaktes nach unten geht. Die in der vorliegenden Zeichnung nicht dargestellte Zündkerze sollte so angebracht sein, daß eine schnelle Zündung der örtlich begrenzten Brennstoffmischung erfolgen kann. Die örtlich begrenzte Brennstoffmischung wird durch einströmenden Brennstoffstrom beim Vermischen mit der wirbelnden Luft gebildet. Die Lage der Zündkerze muß sich an der Lage der Brennstoff-Einspritzdüse und des Einlaßventiles 16 orientieren.

Verfahrenstechnisch ist es erwünscht, daß der Brennstoff bei Eingabe in die Verbrennungskammer 18 in kleinste Teilchen atomisiert wird. Dadurch soll eine bessere Verteilung der Brennstoff-Luft-Mischung ermöglicht werden zur Erzielung einer schnellen und gleichmäßigeren Verbrennung. Jedoch ein Teil des eingespritzt en Brennstoffstroms wird gegen die Wandung des

Kolbenraums 24 prallen. Andererseits können auch schwere Teilchen durch den wirbelnden Strom des Brennstoff-'Luft-Gemisches gegen die Wandungen geschleudert v/erden.

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Es besteht die Gefahr·« '«i aß beim Auftref f en von flüssigem, eingespritztem Brennstoff auf kühle Teile des Kulbenrauins 24 Kondensation und Tropfeheribildung eintritt. dadurch wird nach Entzündung der Brennstoff-Luft-riischuntr der Rauchanteil sowie der Anteil an unverbrannten, flüssigen Brennstoffteilchen im Abgas vergrößert. Dieses wird zum Teil darauf zurückgeführt, daß sich die Brennstofftropfchen nicht vermischen und mit Luft verbrennen lassen, bevor sie wieder ausgestoßen werden.

In Fig. 2 ist ein Einsatz 26 in der Vertiefung 29 des Kolbens 12 fixiert. Zwischen dem Einsatz und den KoIbenwaηdüngen ist nur eine geringe Wärmeleitung möglich. Dieses wird durch eine gute Wärmeisolierung mit einem Isolator, wie Luft oder ähnliche schlechte Wärmeleiter erreicht, wobei das Isolationsmaterial zwischen dem Einsatz und der Kolbenvertiefung angeordnet ist.

Die mechanische Konstruktion des Einsatzes 26 muß so ausgelegt sein, daß die Struktur während des Druckaufbaus in der Vex¹-brennungskammer 18. gleichbleibt und nicht verformt wird. Diese Anfοι derung hat dazu geführt, daß der Einsatz mit einer steifen Wandung versehen ist und die zylindrischen Wandungen des Kolbenrauras 24 vorzugsweise glatt und stromungstechnisch sorgfältig ausgeformt sind, um die wirbelnde Luft während des Kompresionstaktes gut zu leiten.

Gleichzeitig ist eine direkte Ableitung der verbrannten Gase während des Arbeitstaktes möglich.

raums

Der Boden des Kolben/ 2A- ist, wie in den Zeichnungen dargestellt, so geformt, daß der gewünschte Fluß der Brennstoff-Luft-Einspeisung und des Gases sichergestellt ist. In der in Fig. 2 dargestellten Ausbildung v/eist der Boden der Vertiefung eine nasenartige Erhebung auf, an der der Gasstrom entlang geführt werden soll. Die Erhebung kann auch durch eine konvexe Ausbildung des Vertiefungsbodens erreicht werden.

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Wie in Fig. 2 gezeigt, weist die äußere Oberfläche des Einsatzes 26 mehrere hervorstehende Rippen 27, 2c auf. Die Außenseite jeder Rippe ist so konstruiert, dail sie mit der Außenwand 29 in der Kolbenstirnfläche einen festen Kontakt herstellen kann. In den Zwischenräumen, die sich zwischen den Rippen als Abstandshalter des Einsatzes 26 einerseits und der Oberfläche 29 der Kolbenvertiefung andererseits befindet sich Luft als Wärmeschutzschicht.

X bilden,

Um eine ausreichende Festigkeit in der Kolbenoberfläche zu garantieren, wird der Einsatz 26 entweder eingeschweißt, gelötet oder auf andere Weise im Kolbenmaterial fixiert. Nach einer anderen Befestigungsart kann der Einsatz auch kraftschlüssig in die Kolbenvertiefung 29 eingebaut werden.

Die mit Isoliermaterial gefüllten Zwischenräume erstrecken sich über die gesamte oberfläche des Einsatzes 26. Die Rippen 2? und 28 haben neben d er Aufgabe als Abstandshalter eine Versteifungsfunktion. Die Rippen werden so dünn gehalten, daß ein minimaler Wärmeübergang zum Kolben hin erfolgen kann.

Nach Fig. 3 ist der Einsatz 32 mit Rippen 33 und 3^ ausgerüstet, die jeweils an der Öffnungsseite des ringförmig ausgebildeten Einsatzes 32 flanschartig ausgebildet sind. Sie ermöglichen einen gleitfähigen Sitz im Oberteil des Kolbens 12. Zwischen der Außenfläche des ringförmigen Einsatzes 32 und der Vertiefung im Kolben 12 bildet sich eine Isolationskammer 36 aus. Im Beispiel nach Fig. 3 wird durch den Einsatz 32 ein Isolationsband in der Kolbenvertiefung ausgeformt. Bei einer Brennstoffeinspritzung wird die Ringwand des Einsatzes 32 vom eingespritzten Strahl getroffen. Da der Einsatz 32 vom Kolbenkörper 38 abgetrennt ist, besteht keine Möglichkeit, daß kalte Zonen sich bilden und Brennstoff auskondensieren kann. Es besteht auch weiterhin keine Möglichkeit, die nachfolgend erzeugte Flamme zu quenchen.

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In der Darstellung nach i'ig. 5 und 6 besteht der Einsatz 41 aus einem tassenartigen Körper mit einer zylindrisch geformten Verbrennungskammer 42- Die Besonderheit besteht in der Außenkontur des Einsatzes, die mit einer Anzahl von scharfen LMngsrippen 43 oder mit Verzahnung ausgebildet ist. Die Verzahnung ist vorzugsweise so ausgeführt, daß die einzelnen Zähne in gleichem Abstand und in genügender Zahl angeordnet sind, um eine feste Verankerung im Kolben zu gewährleisten. Da in der hier gezeigten Ausführung die Verzahnung 43 in den tassenförmigen Einsatz eingearbeitet ist, gehört es zum fachmännischen Wissen, diese Verzahnung auch in umgekehrter Weise in die Kolbenoberfläche etwa durch Gießen oder spanende Bearbeitung einzubringen.

In jedem Fall muß die zylindrische Vertiefung in der Kolbenstirnfläche einen ausreichenden Durchmesser haben, um eine kraftschlüssige Verbindung mit dem Einsatz 41 herstellen zu können. Dabei sollte berücksichtigt werden, daß die Berührungsfläche durch die relativ schmalen Zahnköpfe stark herabgesetzt ist.

In einer anderen Ausbildung nach Fig. 6 ist der tassenförmige Einsatz 46 durch eine Matrize 47 gebildet, die aus Metall, Gußeisen oder ähnlichem hergestellt wird. Wenn die Matrize gegossen wird, kann ein äußerer Ring oder eine Außenhaut 48 aus wenig wärmeleitendem Material auf die Matrize aufgeschrumpft werden. Das Isolationsmaterial kann aus Sand oder Asbest bestehen und den Wärmetransport aus Verbrennungskammer 49 in den umgebenden Kolbenkörper verhindern.

Eine weitere Ausbildung des erfindungsgemäßen Einsatzes zeigt Fig. 7· Die Außenfläche des Einsatzes ist hier mit über dem Umfang verteilten Spitzen versehen. Sie kann aber auch durch entsprechende mechanische Bearbeitung stark aufgerauht werden. Dadurch wird > der erfindungsgemäße Zweck erreicht, daß sich zwischen den Erhebimf-,νη der aufgerauhten Fläche und der

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Kolbenvertiefung ein Luftj^olster gebildet und die Isolation swirkunp eintritt.

In jedem der oben penanu;,i :, ieispiele kann der Einsatz nur durch physikalischen Kontakt mit dem Kolben befestigt werden. Daraus ergibt sich, daß die Kontaktfläche nicht nur unter dem Gesichtspunkt maximaler Isol*Rtionswirkung, sondern auch unter dem Gesichtspunkt der erforderlichen Festigkeit ausgebildet werden muß.

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BAD ORIGINAL

Claims

5 5 8 761 Paten t ans ρ j· ü c h e

1. Verbrennungskraftmaschine, bestehend aus mindestens einem Zylinder mit Kolben und einer Verbrennungskammer, in die Brennstoff eingespritzt wird zur Erzeugung eines brennfähigen Brennstoff-Luft-Gemisches, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (12) eine mit einer Vertiefung (29) versehenen Kolbenstirnflache aufweist, in der ein Kolbenraum (24) ausgebildet ist, in den zumindest ein Teil des eingespritzten Brennstoffs aus einer Brennstoffdüse(i9) eingegeben wird

und die Kolbenvertiefung (29) mit einer thermischen Isolierung (31) versehen ist, die den Wärmetransport aus dem Kolbenraum (24) in den Kolbenkörper reduziert.

2. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß in der Vertiefung (29) des Kolbens (12) unter Einhaltung eines räumlichen Abstandes ein Einsatz (26) befestigt ist, dessen Innenwandung zumindest einen Teil der äußeren Begrenzung des Kolbenraums (24) bildet.

5- Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Einsatz (26) und der Wandung der Kolbenvertiefung (29) Abstandshalter eingebaut sind.

4. Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchge kennzeichnet , daß die thermische Isolierung (31) aus einem Füllstoff

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mit niedrigem thermischen Leitwert besteht, der zumindest teilweise den Zwischenraum !'wischen Kolben (12) und Kolbenraum (24) ausfüllt.

5. Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g ο k e η η ζ e i c h η e t , daß die thermische I solie.r'unp; (o'i) aus einer Luftschicht besteht.

6. Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Abstandshalter aus einer Mehrzahl von rippenförmigen Verzahnungen (41,4?) bestehen, die in Richtung der Kolbenlängsachse verlaufen.

7- Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzahnungen(41 , ¹Vf.') aus am Umfang des Einsatzes (26) angebrachten Rippen bestehen, die mit ihren Spitzen zumindest teilweise in der Kolbenvertiefung (29) verankert sind.

8. Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter aus einer Vielzahl von über dem Umfang des Einsatzes (26) verteilten Erhebungen oder Spitzen bestehen, die mit ihren äußeren Enden zumindest teilweise in die Wandung der Kolbenvertiefung (29) eingebettet sind.

9- Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (26) zweiteilig ausgeführt ist, bestehend aus einem äußeren tassenförmieren Trägereinsatz (48) und einen inneren Isoliereinsatz (47), der aus einem Material mit geringer Wärmele:i tfähigkeit hergestellt ist.

10. Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ρ e k r- η η " e i c h η e t , daß der Einsatz (26) mit einem Haterial beschichtet ist, das eine perinpre Wäi-meleitf nhickei t besitzt.

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