DE2647091A1 - IC engine with divided combustion chamber - has piston projection to divide chamber into two unequal parts - Google Patents

Abstract

The combustion chamber is divided into two unequal parts at piston t. d. c. by a projection (9) formed on the piston crown. The exhaust valve (6) and the spark plug electrodes are located in the smaller of the two part combustion chambers. Ignition takes place in the first chamber (8a). The ensuring flame passes over the piston crown projection as the piston descends to ignite the remaining charge. The combustion chamber volumes can be calculated to give a compression ratio greater than 12:1 in the larger chamber (8b). The smaller combustion chamber vol. is pref. equal to or less than 30% of the combined combustion chamber vol.

Description

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unsere Zeichen: K 2224our reference: K 2224

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Gemischverdichtende Hubkolben-Brennkraftmaschine Mixture-compressing reciprocating internal combustion engine

Die Erfindung bezieht sich auf eine gemischverdichtende Hubkolben-Brennkraftmaschine mit mindestens einem jeweils zwischen einem Kolben und einem Zylinder beziehungsweise Zylinderkopf eingeschlossenen Brennraum, der in wenigstens zwei Teilbrennräume unterteilt ist, die in der Nähe des oberen Totpunktes des Kolbenhubes voneinander getrennt und während der übrigen Zeit des Kolbenhubes miteinander verbunden sind, wobei die Zündung in den einzelnen Teilbrennräumen zeitlich nacheinander erfolgt.The invention relates to a mixture-compressing reciprocating internal combustion engine with at least one enclosed between a piston and a cylinder or cylinder head Combustion chamber which is divided into at least two partial combustion chambers, which are separated from one another in the vicinity of the top dead center of the piston stroke and are connected to one another during the remaining time of the piston stroke, the ignition in the individual partial combustion chambers being timed takes place one after the other.

Eine solche, beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift Nr. 25 14 479 bekannte Brennkraftmaschine verfolgt das Ziel, durch die Aufteilung der Brennraumladung in mehrere Einzelladungen, die nacheinander gezündet werden, den Verbrennungsvorgang in gesteuerter Weise zu verlangsamen, um dadurch die Erzeugung von Stickoxyd zu verringern. Über die Höhe des Verdichtungsverhältnisses ist hierbei nichts ausgesagt worden, so daß von üblichen Verdichtungswerten ausgegangen werden kann. Nun ist es bekannt, bei gemischverdichtenden Hubkolben-Brennkraftmaschinen -(Otto-Motoren) durch Steigerung des Verdichtungsverhältnisses einen höheren thermischen Wirkungsgrad und damit einenSuch, for example from the German Offenlegungsschrift No. 25 14 479 known internal combustion engine pursues the goal of dividing the combustion chamber charge into several individual charges, which be ignited one after the other to slow down the combustion process in a controlled manner, thereby reducing the production of nitrogen oxide. Nothing has been said about the level of the compression ratio, so that normal compression values are used can be. It is now known in the case of mixture-compressing reciprocating internal combustion engines - (Otto engines) by increasing the compression ratio a higher thermal efficiency and thus a

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verringerten Kraftstoffbedarf beziehungsweise eine höhere Leistung zu erreichen. Die Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses ist jedoch bei einem vorgegebenen Kraftstoff trotz optimaler Brennraumgestaltung durch die einsetzende klopfende Verbrennung begrenzt. Unter klopfender Verbrennung versteht man einen Vorgang, bei dem die Plammenfortpflanzungsgeschwindigkeit so groß ist, daß die noch nicht verbrannten Gemischteile über die Selbstzündungsgrenze verdichtet und erhitzt werden, so daß es zu einer Selbstzündung mit sehr großer Druckbeschleunigung kommt. Die Folge dieser schlagartigen Zündung des gesamten Gemischrestes sind starke Motorgeräusche und eine Überlastung der Brennraum- und Triebwerksteile. In der Praxis wurden daher bei Otto-Motoren Verdichtungsverhältnisse von maximal 10 oder 11 zugelassen.reduced fuel consumption or higher performance to reach. However, for a given fuel, the increase in the compression ratio is possible despite an optimal combustion chamber design limited by the onset of knocking combustion. Knocking combustion is a process in which the flame propagation speed is so large that the not yet burned parts of the mixture are compressed and heated above the auto-ignition limit, so that there is a self-ignition with a very high pressure acceleration. The result of this sudden ignition of the entire remainder of the mixture are loud engine noises and overloading of the combustion chamber and engine parts. In practice, therefore, with Otto engines Compression ratios of a maximum of 10 or 11 are permitted.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannte Bauart die Vorteile einer Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses durch geeignete Maßnahmen nutzbar zu machen, ohne dabei die Nachteile der klopfenden Verbrennung in Kauf zu nehmen.The object on which the invention is based now consists in an internal combustion engine of the type mentioned above, the advantages of increasing the compression ratio by suitable measures can be used without the disadvantages of knocking combustion to accept.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht gemäß der Erfindung in einer solchen Ausbildung der Kolben und Zylinder der Brennkraftmaschine, daß das Verdichtungsverhältnis wenigstens in dem oder den zeitlich später zur Zündung kommenden Teilbrennräumen gleich oder größer als 12 ist. Dadurch, daß das Verdichtungsverhältnis wenigstens in den mit Verzögerung gezündeten Teilbrennräumeaüber die bisher zulässigen Verdichtungsverhältnisse gesteigert wird, wird der thermische Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine, insbesondere im Teillastgebiet, wo die Verdichtungsverhältnisse aufgrund der geringeren Zylinderfüllung ohnehin unterhalb der Verdichtungsendwerte bleiben, wesentlich gesteigert. Aber auch bei Vollast können diese Verdichtungsverhältnisse zumindest in den später zur Zündung kommenden Teilbrennräumen ohne Nachteil beibehalten werden, da die Zündung dort erst zu einem Zeitpunkt eintritt, in dem die maximale, durch den Kolben bewirkte Verdichtung bereits unterschritten ist. Die Gefahr der klopfenden Verbrennung ist damit weitgehend ausgeschaltet. Zweckmäßigerweise kann dabei die Zündung in den zeitlich später zur Zündung kommenden Teilbrennräumen durchAccording to the invention, this object is achieved in such a way Training of the pistons and cylinders of the internal combustion engine that the The compression ratio is equal to or greater than 12, at least in the partial combustion chamber or combustion chambers that come to ignition later. Because the compression ratio at least in the partial combustion chambers ignited with delay exceeds the compression ratios permitted up to now is increased, the thermal efficiency of the internal combustion engine, especially in the partial load area, where the compression ratios remain below the final compression values anyway due to the lower cylinder filling, significantly increased. But even at full load, these compression ratios can be maintained without any disadvantage, at least in the partial combustion chambers that are later to be ignited because the ignition only occurs there at a point in time when the maximum compression caused by the piston has already been achieved is below. This largely eliminates the risk of knocking burns. The ignition can expediently in the partial combustion chambers that come to ignition later

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Fackelzündung mittels der nach Verbindung der Teilbrennräume aus dem erstgezündeten Teilbrennraum übertretenden Flammgase erfolgen. In diesem Fall steht durch die überströmenden Brenngase reichlich Zündenergie und Zündfläche zur Verfügung, um die später einsetzende Verbrennung in den nachgezündeten Teilbrennräumen zu beschleunigen.Torch ignition by means of the connection of the partial combustion chambers from the Flame gases exceeding the first ignited partial combustion chamber. In this case there is ample ignition energy from the overflowing combustion gases and ignition area are available to accelerate the later onset of combustion in the post-ignited partial combustion chambers.

Es ist jedoch auch denkbar, die Verdichtungsverhältnisse in dem zuerst gezündeten Teilbrennraum auf Werte von gleich oder größer als 12 zu erhöhen. Dabei geht man davon aus, daß eine klopfende Verbrennung in einem volumenmäßig relativ klein gehaltenen erstgezündeten Teilbrennraum, dessen Volumen gleich oder kleiner als 30 'fo des gesamten Brennraumvolumens sein soll,ohne Schaden für das Triebwerk und die Brennräume hingenommen werden kann.However, it is also conceivable to increase the compression ratios in the partial combustion chamber that was ignited first to values equal to or greater than 12. It is assumed that a knocking combustion in a relatively small volume initially ignited partial combustion chamber, the volume of which should be equal to or less than 30 'fo of the total combustion chamber volume, can be accepted without damage to the engine and the combustion chambers.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das im folgenden näher erläutert wird. Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellungsweise inIn the drawing, an embodiment of the invention is shown, which is explained in more detail below. The drawing shows a schematic representation in

Figur 1 einen Längsschnitt durch den Verbrennungsraum einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine undFIG. 1 shows a longitudinal section through the combustion chamber of an internal combustion engine according to the invention and

Figur 2 einen Schnitt durch den Verbrennungsraum gemäß Schnittlinien II-II nach Figur 1 .FIG. 2 shows a section through the combustion chamber along the cutting lines II-II according to Figure 1.

In der Zeichnung ist mit 1 ein Zylinder, mit 2 ein Kolben und mit 3 ein Zylinderkopf einer gemischverdichtenden Hubkolben-Brennkraftmaschine, beispielsweise eines Kraftfahrzeugmotors,gezeigt. 4 stellt ein Einlaßventil zur Steuerung einer mit einem Kraftstoff-Luft-Gemisch beaufschlagten· Einlaßleitung 5 und 6 ein Auslaßventil zur Steuerung einer Auspuffleitung 7 dar. Zwischen dem Kolben 2, dem Zylinder 1 und dem Zylinderkopf 3 ist ein Arbeitsraum eingeschlossen, der im oberen Totpunkt durch einen an dem Kolbenboden vorgesehenen Vorsprung 9 in zwei Teilbrennräume 8 a und 8 b aufgeteilt wird. Eine in der Figur 2 angedeutete Zündkerze 10 ragt in den kleineren Teilbrennraum 8 a hinein, in dem auch das Auslaßventil 6 angeordnet ist.In the drawing, 1 is a cylinder, 2 is a piston and 3 is a cylinder head of a mixture-compressing reciprocating internal combustion engine, for example a motor vehicle engine. 4 illustrates an intake valve for controlling a fuel-air mixture acted upon · inlet line 5 and 6 an outlet valve for control an exhaust pipe 7. Between the piston 2, the cylinder 1 and the cylinder head 3, a working space is enclosed, which in the upper Dead center is divided into two partial combustion chambers 8 a and 8 b by a projection 9 provided on the piston head. One in the figure 2 indicated spark plug 10 protrudes into the smaller partial combustion chamber 8 a, in which the exhaust valve 6 is arranged.

Durch Zündung der Zündkerze 10 in der Nähe des oberen Totpunktes des Kolbens 2 wird zunächst nur der in dem kleineren Teilbrennraum 8 a vorhandene Gemischanteil verbrannt. Die Zündung des restlichen, inBy igniting the spark plug 10 near the top dead center of the Piston 2 is initially burned only the mixture portion present in the smaller partial combustion chamber 8 a. The ignition of the remaining, in

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dem größeren Teilbrennraum 8 b vorhandenen Gemischanteiles erfolgt dann beim Rückgang dee Kolbens, wenn durch Verbindung der beiden Teilbrennräume die Brenngase aus dem Teilbrennraum 8a in den Teilbrennraum 8 b übertreten können. Die Brennräume können nun so bemessen sein, daß in dem größeren Teilbrennraum 8 b bei Vollaet ein Verdichtungsverhältnis von gleich oder größer als 12 erreicht wird. Da die Zündung des in diesem Teilbrennraum vorhandenen Gemisches jedoch erst zu einem Zeitpunkt erfolgt, wenn die von dem Kolben erreichte Maximalverdichtung bereits überschritten ist, führt dieses relativ hohe Verdichtungsverhältnis nicht zu einer klopfenden Verbrennung in dem Teilbrennraum 8 b. Um nach Möglichkeit eine Selbstzündung zu vermeiden sollte daher auch das Auslaßventil 6 nicht in diesem mit einem höheren Verdichtungsverhältnis arbeitenden Teilbrennraum angeordnet sein.the larger partial combustion chamber 8 b takes place existing mixture proportion then when the piston recedes, when the combustion gases from the partial combustion chamber 8a into the partial combustion chamber through the connection of the two partial combustion chambers 8 b can violate. The combustion chambers can now be dimensioned so that a compression ratio in the larger partial combustion chamber 8 b at full speed of equal to or greater than 12 is achieved. However, since the ignition of the mixture present in this partial combustion chamber only takes place at a point in time when the maximum compression achieved by the piston has already been exceeded, this leads relatively high compression ratio does not result in knocking combustion in the partial combustion chamber 8 b. To avoid spontaneous ignition if possible Therefore, the outlet valve 6 should not be arranged in this partial combustion chamber, which operates with a higher compression ratio be.

Abweichend von der in der Zeichnung dargestellten Ausführung könnte die Zündung des in dem Teilbrennraum 8 b eingeschlossenen Gemisches auch durch eine zweite Zündkerze, jedoch in zeitlichem Abstand zu dem ersten Teilbrennraum 8 a erfolgen. Auch in diesem Fall würde durch den zeitlichen Abstand zwischen den beiden Zündungen sichergestellt werden, daß eine klopfende Verbrennung in dem großen Teilbrennraum nicht auftritt.Deviating from the version shown in the drawing, could the ignition of the mixture enclosed in the partial combustion chamber 8 b also by a second spark plug, but at a time interval from the first partial combustion chamber 8 a. In this case, too, would go through the time interval between the two ignitions ensure that a knocking combustion in the large partial combustion chamber does not occur.

Das Verdichtungsverhältnis in dem kleineren, zuerst gezündeten Teilbrennraum 8 a kann nun sowohl ober- als auch unterhalb der Klopfgrenze gehalten werden. Ein Verdichtungsverhältnis oberhalb der Klopfgrenze würde zwar eine klopfende Verbrennung in dem Teilbrennraum 8 a verursachen, jedoch könnte diese gegebenenfalls in Kauf genommen werden, da sie sich nur auf einem relativ kleinen Teil des gesamten Brennraumes beschränkt und somit kaum zu einer nennenswerten Mehrbelastung des Brennraumes und des Triebwerkes führt. Dieser kleinere Teilbrennraum 8 a sollte daher gleich oder kleiner als 30 ^cß> des gesamten Brennraumvolumens sein.The compression ratio in the smaller, first ignited partial combustion chamber 8 a can now be kept both above and below the knock limit. A compression ratio above the knock limit would cause knocking combustion in the partial combustion chamber 8a, but this could possibly be accepted as it is only limited to a relatively small part of the entire combustion chamber and thus hardly results in any significant additional load on the combustion chamber and the Engine leads. This smaller partial combustion chamber 8 a should therefore be equal to or less than 30 ^c ß> of the entire combustion chamber volume.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen kann nun eine Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine und damit eine höhereThe measures according to the invention can now increase the thermal Efficiency of the internal combustion engine and thus a higher one

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Leistung beziehungsweise ein niedrigerer Kraftstoffverbrauch erreicht werden. Die kolbenhubgesteuerte Vereinigung der beiden Teilbrennräume beim Rücklauf des Kolbens vermeidet weitgehend Überströmverluste beim Übertreten der Verbrennungsgase aus dem erstgezündeten Brennraumteil zu dem später zündenden Brennraumteil. Dies unterscheidet diese Ausführung auch von bekannten Ausführungen mit einer Haupt- und Vorkammer sowie einem die Vorkammer mit der Hauptkammer verbindenden Schußkanal. Auch bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist es möglich, den erstzündenden Brennraumteil mit einem leicht zündenden, fetteren Gemisch, die übrigen Teilbrennräume dagegen mit einem ärmeren Gemisch zu versorgen.Performance or lower fuel consumption will. The piston stroke-controlled union of the two partial combustion chambers during the return of the piston largely avoids overflow losses when the combustion gases pass from the part of the combustion chamber that was ignited for the first time to the part of the combustion chamber that ignites later. This also distinguishes this version from known versions with a main chamber and an antechamber and a firing channel connecting the antechamber to the main chamber. It is also in the embodiment according to the invention possible, the first-igniting part of the combustion chamber with a slightly igniting, richer mixture, the other partial combustion chambers, however, with a poorer one To supply mixture.

Für die Ausgestaltung der Brennräume sind viele andere Konstruktionen, die hier nicht alle ausführlich erläutert werden können, möglich. So ist es denkbar, den Brennraum auch in mehr als zwei Teilbrennräume aufzuteilen, die dann mit zeitlichem Abstand nacheinander gezündet werden, wozu ebenfalls einzelne Zündkerzen oder aber eine Fackelzündung durch aus dem erstgezündeten Teilbrennraum übertretende Flammgase herangezogen werden können. Auch die Trennung und Vereinigung der Teilbrennräume kann auf verschiedene Weise konstruktiv gelöst werden. So können Vorsprünge und Ausnehmungen in den Kolben und/oder den Zylinderköpfen angeordnet sein, die nur in der Nähe des oberen Totpunktes des Kolbenhubes eine Trennung des Brennraumes ergeben. Wenn auch in der Zeichnung nur ein einziger Kolben und Zylinder gezeichnet ist, so ist doch klar, daß eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine im allgemeinen eine größere Anzahl von Zylindern, insbesondere 4» aufweist.There are many other constructions for the design of the combustion chambers, which cannot all be explained in detail here. So it is conceivable to divide the combustion chamber into more than two partial combustion chambers, which are then ignited one after the other with a time interval, including individual spark plugs or a torch ignition Flame gases escaping from the first-ignited partial combustion chamber can be used. Also the separation and unification of the partial combustion chambers can be solved constructively in different ways. So projections and recesses in the pistons and / or the cylinder heads be arranged, which result in a separation of the combustion chamber only in the vicinity of the top dead center of the piston stroke. Even if in the drawing only a single piston and cylinder is drawn, it is clear that an internal combustion engine according to the invention is generally a larger one Number of cylinders, in particular 4 ».

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Claims (2)

2 B A 7 O 9 12 B A 7 O 9 1 ANSPRÜCHEEXPECTATIONS . 1. Gemischverdichtende Hubkolben-Brennkraftmaschine mit mindestens. 1. Mixture-compressing reciprocating internal combustion engine with at least einem jeweils zwischen einem Kolben und einem Zylinder beziehungsweise Zylinderkopf eingeschlossenen Brennraum, der in wenigstens zwei !Peilbrennräume unterteilt ist, die in der Nähe des oberen Totpunktes des Kolbenhubes voneinander getrennt und während der übrigen Zeit des Kolbenhubes miteinander verbunden sind, und wobei die Zündung in den einzelnen Teilbrennräumen zeitlich nacheinander erfolgt, gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung der Kolben (2) und Zylinder (1), daß das Verdichtungsverhältnis wenigstens in dem oder den zeitlich später zur Zündung kommenden Teilbrennräumen (8 b) gleich oder größer als 12 ist.one each between a piston and a cylinder respectively Cylinder head enclosed combustion chamber, which is divided into at least two! Bearing combustion chambers, which are in the vicinity of the upper one Dead center of the piston stroke are separated from one another and connected to one another during the rest of the time of the piston stroke, and the ignition in the individual partial combustion chambers taking place one after the other, characterized by such a design of the Piston (2) and cylinder (1) that the compression ratio at least is equal to or greater than 12 in the partial combustion chamber or partial combustion chambers (8 b) which come to ignition later. 2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündung in den zeitlich später zur Zündung kommenden Teilbrennräumen (8 b) durch Packelzündung mittels nach der Verbindung der Teilbrennräume aus dem erstgezündeten Teilbrennraum (8a) übertretender Plammgase erfolgt.2. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the ignition in the partial combustion chambers (8 b) which come to ignition later in time by means of pack ignition after the connection of the partial combustion chambers from the partial combustion chamber (8a) that was ignited for the first time Plamming gases takes place. 3· Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des zuerst zur Zündung kommenden Teilbrennraumes (8 a) gleich oder kleiner als 30 f^a des gesamten Brennraumvolumens ist.3. Internal combustion engine according to claim 1 or 2, characterized in that the volume of the partial combustion chamber (8 a) which is first to be ignited is equal to or less than 30 f ^{a of} the total combustion chamber volume. 809817/0063809817/0063