DE2828237C3 - Luftverdichtende Hubkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine luftverdichtende Hubkolbcnbrennkraftmaschine mit einer Einspritzdüse und einer BrennraummuSde im Kolben, die mit einem verengten Halsteil im Kolbenboden ausläuft, wobei ein großer Teil des Kraftstoffs durch rotierende Luft hindurch in das Halsteil wandangelagert eingebracht wird.

Eine derartige Brennkraftmaschine ist bekannt (DE-PS 9 74 449). Die unterteilte Brennraummulde ist dort im oberen Bereich bis auf etwa 80% der maximalen Brennraumweite eingeschnürt. Dieser !richterförmige und mit konkav oder konvex gewölbter Wandung ausgebildete Bereich nimmt etwa bis zu 30% der gesamten Brennraumhöhe ein. Zwischen dem oberen Bereich und dem unteren Bereich ist eine scharfe Kante angeordnet, um durch Verwirbelung der ausströmenden Luft eine Ablösung und Verbesserung der Verbrennung des wandangelagerten Kraftstoffs zu erreichen. .

Des weiteren ist eine Brennkraftmaschine mit Wandanlagerung des Kraftstoffs im unteren Teil einer kugelförmigen Brennraummulde, die mit einem zylindrisehen Halsteil im Kolbenboden ausläuft, aus der DE-PS 8 65 683 bekannt. Hierbei beträgt der Querschnitt des Halsteils etwa 65% des größten Brennraumquerschnitts, seine axiale Erstreckung ist jedoch sehr gering.

Aufgrund des Einbringens des Kraftstoffs in den unteren Brennraumteil und die Proportionen der Brennraummuldenteile weist diese Brennkraftmaschine kein befriedigendes Start- und Teillastverhalten auf, weil in diesen Betriebsbereichen eine zufriedenstellende Gemischbildung nicht erzielt wird.

Ganz allgemein zeigen Brennkraftmaschinen mit Wandanlagerung des Kraftstoffs in der Brennraummulde beim Start und im Teillastbcreich ein unbefriedigendes Betriebsverhalten, das sich unter anderem in ungünstigen Abgasemissionswerten äußert. Dem ge- t>\ genüber haben Brennkraftmaschinen mit einer luftverteilten Kraftstoffeinspritzung ein gutes Start- und Teillastverhalten, jedoch weisen sie einen steilen Druckanstieg auf und sind in bezug auf die Geräuschemission ungünstig.

Eine Brennkraftmaschine mit luftverteilter Einspritzung des Kraftstoffs ist aus der DE-OS 27 39 419 bekannt. Der Kolben der dort beschriebenen Brennkraftmaschine weist eine untere, omegaförmige Mulde auf, die in ein im wesentlichen gleichseitiges polygones Halsteil zum Kolbenboden hin ausläuft. Der Kraftstoff wird hierbei im wesentlichen in den Grenzbereich zwischen Halsteil und omegaförmiger Brennraummulde luftverteilt eingespritzt. Das Verhältnis von axialer Erstreckung des Halsteils zur gesamten Brennraummuldentiefe liegt im Bereich von etwa 25 bis 60%. Es soll dort ein verhältnismäßig langsamer Luftwirbel bei hohen Motordrehzahl im Halsteil erreicht werden, indem durch die polygone Aussparung und die dadurch auftretenden Wirbel hier eine Unterdrückung einer gleichmäßigen Drehbewegung der Luft im Halsteil und in der Mulde erzielt wird.

Des weiteren ist die DE-OS 25 45 588 bekanntgeworden. Darin wird ein Kolben mit einer Brennraummulde beschrieben, die aus einem zylindrischen Halsteil und einer sich daran anschließenden Wanne besteht. Wanne und Halsteil haben etwa den gleichen Durchmesser. Bei dieser Bauart ist es aufgrund des großen Durchmessers des Halsteils nicht ohne weiteres möglich, eine hohe Drehbewegung der Luft im Halsteil aufrecht zu erhalten. Dadurch ist es unmöglich, bei dem Verbrennungsablauf einen sanften Druckanstieg zu erzielen.

Daneben ist aus der DE-PS 15 76 013 ein Kolben mit zentralem Brennraum für Einspritzbrennkraftmaschinen bekannt. Hierbei wird der Kraftstoff ebenfalls luftverteilt in die Brennraummulde eingebracht, wobei diese zum Zwecke der Temperierung des Kolbens einen eingeschnürten Halsteil zum Kolbenboden hin aufweist, in dessen Bereich wärmedämmende Mittel vorgesehen sind. Dadurch wird die Verbrennung durch eine verbesserte Gemischbildung aufgrund der Temperierung verbessert. Eine spezielle Ausbildung der Brennraummulde im Hinblick auf Querschnitt und axiale Erstreckung ist nicht angesprochen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Hubkolbenbrennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Art das Betriebsverhalten beim Start und im Teillastbereich sowie in bezug auf die Geräuschemission zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgerräß dadurch gelöst, daß das Verhältnis des senkrecht zur Kolbenachse liegenden Querschnitts des zylindrischen Halsteils zum senkrecht zur Kolbenachse liegenden größten Querschnitt der Brennraummulde zwischen 0,4 und 0,1 liegt und zugleich die axiale Erstreckung des Halsteils 50 bis 80% der gesamten Brennraummuldentiefe beträgt.

Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung allein, nämlich die Kombination der angegebenen Verhältniswerte erreicht man, daß der Kraftstoff der in die enge Zone zum großen Teil wandangelagert eingebracht wird, bei hoher Drehgeschwindigkeit der Verbrennungsluft mit einem sanften Druckanstieg verbrennt, während der untere, im Querschnitt weite Teil der Brennraummulde als Luftspeicher dient, in dem ein kleinerer Teil des eingespritzten oder von den Wandungen des oberen Muldenteils reflektierten bzw. früh abgedampften Kraftstoffs luftverteilt verbrannt wird. Da der Durchmesser des oberen Teils dei Brennraummulde verhältnismäßig klein gewählt wird. wird entsprechend die Umfangsgeschwindigkeit zuneh-

men, mit der Folge, daß zur Erreichung guter Verbrennungsbedingungen im Zylinder primär ein relativ geringer Drall erzeugt werden muß, was einen hohen Liefergrad begünstigt und somit bekannte Verbesserungen leistungs-, Verbrauchs- und abgasseitig ermöglicht. Darüber hinaus fördert die sehr hohe axiale und drehend gerichtete Strömungsgeschwindigkeit beim Einströmen und beim Rückströmen eine sehr intensive Verbrennung bei hoher Luftausnutzung, wobei der Druckanstieg wegen der zunächst relativ sanft einsetzenden Verbrennung vorteilhaft gering bleibt. Dank der hohen Strömungsgeschwindigkeit in der Brennzone sinkt die Verweilzeit der Gase in dieser kritischen Zone, weswegen die Abgaskonzentration an schädlichen Stickoxyden auch gering ist.

In Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der untere Teil der Brennraummulde den oberen teilweise ringförmig umgibt. Dieses Merkmal ist für sich aus der DE-OS 20 16 386 bekannt. Hiermit soll dort erreicht werden, daß die noch nicht · erbrannten Kraftstorfbestandteile, die infolge Fliehkrafteinwirkung sich an den Brennraumwandungen ablagern, allmählich im Brennraum aufsteigen und diesen über den vorstehenden Rand verlassen. Im Zusammenhang mit der Ausbildung des Brennraums gemäß der hier vorliegenden Erfindung erreicht man jedoch, daß die Bedingungen für die Teile der Brennraummulde bei einem verhältnismäßig kleinen Gesamtvolumen der Brennraumniulde verwirklicht werden können. Ferner wird die gesamte Brennraummuldentiefe erheblich verringert, so daß die Brennraummulde nicht mehr im Zylinderkopf, sondern auch konstruktiv günstig im Kolben angeordnet werden kann. Die Trennwand zwischen dem ringförmigen unteren Teil und dem eingeschnürten oberen Teil verhindert gleichzeitig, daß an die Brennraumwand gelangender Kraftstoff an die Wandungen der unteren Brennraummulde gelangt.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, daß die Brennraummulde im oberen Teil von einem Kühlkanal umgeben ict Eine auf ihrer ganzen Höhe von einem Kühlkanal umschlossenen Brennraummulde ist ganz allgemein aus der DE-OS 24 24 882 bekannt. Durch die Beschränkung auf den Halsteil der Brennraummulde, also den Teil, wo der Kraftstoff wandaufgetragen wird, ergibt sich oei der erfindungsgemäßen Ausbildung neben einer geregelten Kolbenkühlung ein Anheben der Wandtemperatur der Brennraummulde auch bei Teillast, und zwar derart, daß die Verbrennung dahingehend gefördert wird, daß die Konzentration von Kohlenwasserstcffen und Kohlenmonoxyd im Abgas entscheidend gesenkt wird.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

A b b. 1 zeigt einen Teillängsschnitt einer erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennkraftmaschine im Bereich der iirennraummulde,

A b b. 2 zeigt eine Draufsicht auf einen Kolben einer erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennkraftmaschine.

In einem Zylinder 1 einer Hubkolbenbrennkraftmaschine bewegt sich ein Hubkolben 2. Der Zylinder 1 wird abgedeckt von einem Zylinderkopf 3, der eine Aufnahmebohrung 4 für ein nicht näher dargestelltes Kraftstoffeinspritzventil aufweist. Der Kolben 2 ist an seinem Umfang durch Kolbenringe 5, die an der Zylinderbohrung anliegen, abgedichtet. Im Kolben 2 ist ferner eine Brennraummulde vorgesehen, deren oberer Halsteil 6 gegenüber der Brennraummulde 7 eingeschnürt und zylindrisch ist, wobei das Verhältnis des größten Querschnitts des oberen Teils 6 der Brennraummulde zum größten Querschnitt des unteren Teils zwischen 0,4 und 0,1 liegt und die axiale Erstreckung a des oberen Teils 6 50% bis 80°/o der gesamten Brennraummuldentiefe A beträgt. Der untere Teil der Brennraummulde 7 weist die Besonderheit auf, daß er den oberen Teil 6 teilweise ringförmig umgibt, so daß der obere Teil 6 ein Stück in den unteren Teil hineinragt. Ferner ist der obere Teil der Brennraummulde von einem Kühlkanal 8 umgeben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

28 Patentansprüche:

1. Luftverdichtende Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einer Einspritzdüse und einer Brennraummulde im Kolben, die mit einem verengten Halsteil im Kolbenboden ausläuft, wobei ein großer Teil des Kraftstoffs durch rotierende Luft hindurch in das verengte Halsteil wandangelagert eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des senkrecht zur Kolbenachse liegenden Querschnitts des zylindrischen Halsteils (6) zum senkrecht zur Kolbenachse liegenden größten Querschnitt der Brennraummulde (7) zwischen 0,4 und 0,1 liegt und zugleich die axiale Erstreckung (a) \s des Halsteils 50% bis 80% der gesamten Brennraummuldentiefe (A) beträgt.

2. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Teil der Brennraummulde (7) den oberen teilweise ringförmig umgibt.

3. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennraummulde im oberen Teil (6) von einem Kühlkanal (8) umgeben ist.