Daimler-Benz Aktiengesellschaft Daim 12 96o/h
Stuttgart-Üntertürkheim 4. 7. 1980
Selbstzündende Breimkraftmaschine mit einer
rotationssymmetrischen Kolbenmulde
Die Erfindung betrifft eine selbstzündende Brennkraftmaschine mit einer rotationssymmetrischen Kolbenmulde nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Bei derartigen Brennkraftmaschinen
wird meist eine Drallbewegung der eingeströmten und komprimierten Luft durch bekannte Maßnahmen
erzeugt; die Kraftstoffeinspritzung erfolgt aufgrund geeigneter
Wahl der Düsenlage und Strahlrichtung in Richtung der Luftbewegung.
Eine derartige Brennkraftmaschine ist bereits durch die
• DE-AS 1 Ο32 597 bekannt geworden, wobei die mit breitgefächertem
Strahl arbeitende Einspritzdüse derart angeordnet ist, daß der in Richtung der Einspritzdüsenachse verlaufende
Strahlkegel in freier Luft den Rand der Kolbenmulde trifft, so daß nur ein Teil des KraftstoffStrahles in
die Kolbenmulde gelangt.
Es ist eine weitere Ausführung mit in Längsrichtung trapezförmigem
Querschnitt bekannt, bei der die Einspritzdüse so weit herangeführt ist, daß sie innerhalb des Halses
der Brennraummulde liegt, wobei die Einspritzung auch fächerförmig mittels einer Mehrlocheinspritzdüse erfolgen
kann.
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Darüber hinaus sind Kolbenmulden von kugelartiger, zylindrischer
oder hyperboloidförmiger Gestalt bekannt.
Alle diese Ausgestaltungen von Kolbenmulden haben den Nachteil,
daß sie hinsichtlich der Abgas- und Geräuschemission nicht befriedigen. Die Ursache hierfür liegt darin, daß
einerseits zwar durch Wandbenetzung ein mehr oder weniger guter, d.h. geräuscharmer Verbrennungsablauf erzielt wird,
andererseits aber der noch nicht verbrannte Kraftstoff den relativ kalten Rand und Boden der Kolbenmulde erreicht vor
allem bei niedrigen Drehzahlen, sowie im Leerlauf als auch im mittleren Drehzahlbereich bei Halblastbetrieb, und dort
insbesondere im Zentrum des Wirbels unzureichend mit Verbrennungsluft
vermischt wird und deshalb nur unvollkommen verbrennt. Die schlechte Verbrennung des am Muldenboden haftenden
Kraftstoffes wird zusätzlich noch durch die expansionsbedingte Abkühlung negativ beeinflußt.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Benetzung des Bodens der Kolbenmulde mit Kraftstoff und die damit verbundenen Nachteile
zu vermeiden bzw. zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Hierdurch wird erreicht, daß insbesondere bei in der ersten Phase verhalten und luftverteilt erfolgter Einspritzung
die Kraftstoffteilchen vom Wirbel aufgefangen und mit der
Verbrennungsluft gut vermischt werden. Nach Ablauf der Zünd-
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verzugszeit und voller Einspritzung in der zweiten Phase
benetzen die vollen Kraftstoffstrahlen die Seitenwände
und bilden einen Film der infolge der kinetischen Energie und der geneigten Seitenwand in Richtung des Bodens der
Kolbenmulde abfließt. Während dieses AbfHeßens erfolgt durch
Verwirbelung ein fortlaufendes Vermischen mit der Verbrennungsluft,
bis schließlich der Ringwulst erreicht ist und der restliche Kraftstoffilm über die heiße und spitz vorspringende
Ringwulstkante verdampft,abreißt und vollkommen verwirbelt
wird, ohne daß Kraftstoffteilchen den eigentlichen Boden
der Kolbenmulde benetzen. Dadurch wird neben einem guten Wirkungsgrad durch eine nahezu vollkommene Verbrennung eine
hohe Leistungsausbeute bei maximaler Ausnutzung der Luftladung sichergestellt und somit die Abgas- und Geräuschemission
auf ein Minimum gesenkt.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann die Spitze
des Ringwulstquerschnittes durch zwei etwa rechtwinklig aufeinander zulaufende Wulstflanken gebildet sein, ferner
kann die der Eintrittsöffnung zugekehrt liegende Ringwulstflanke im Querschnitt etwa parallel zum Kolbenboden liegen
und im Querschnitt mit einem Radius von 2-5 mm in die Seitenwand
übergehen. Dadurch wird ein gutes Abfließen der Wandbenetzung zur Ringwulstkante und ein sicheres Abreißen
des Kraftstoffilmes an der heißen Kante des Ringwulstes
erreicht.
Außerdem kann die umlaufende Kante des Ringwulstes in einer Ebene parallel zum Kolbenboden verlaufen, wobei der axiale
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Abstand der Ebene der Ringwulstflanke vom Boden der Kolbenmulde
etwa 12 - 33 $ der Gesamttiefe der Kolbenmulde entsprechen
kann.
Dadurch erfolgt das Abreißen des restlichen Kraftstoffilmes
über dem gesamten Umfang unter gleichen Strömungsverhältnissen.
Um ein sicheres Abreißen des restlichen Kraftstoffilmes an der Ringwulstkante durch Turbulenz zu gewährleisten, kann
der Durchmesser der Ringwulstkante etwa dem 0,9 - 1,Ifachen
des Durchmessers der Eintrittsöffnung, das ist etwa 0,38 - O,k des Kolbendurchmessers, entsprechen.
Des weiteren kann die den Boden der Kolbenmulde zugekehrt liegende Ringwulstflanke im Querschnitt mit einem Radius
von etwa 22 - 35 $ der Gesamttiefe in den Boden und die der
Eintrittsöffnung zugekehrt liegende Ringwulstkante im Querschnitt
mit einem Radius von 2-5 nun i*1 die Seitenwand
übergehen.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann der Kolbenmulde
eine Einspritzdüse zugeordnet sein, deren Strahl(en) auf die Seitenwand der Kolbenmulde gerichtet ist bzw. sind .
und die Auftreffstelle der Einspritzstrahlen kann axial etwa
in der Mitte zwischen Ringwulstkante und dem Kolbenboden
liegen.
Durch Verschieben der Einspritzdüse in Achsrichtung derselben kann die Auftreffstelle der Einspritzstrahlen variiert .
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werden, wodurch, ein gewisser Einfluß auf den Verbrennungsablauf möglich ist.
Darüber hinaus kann die Einspritzdüse in an sich bekannter ¥eise exzentrisch zur Kolbenmulde, jedoch noch innerhalb
von deren Eintrittsöffnung, angeordnet sein.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Konizitätswinkel der Seitenwände etwa 7 - 15 betragen. Bei
größerem Konizitätswinkel verringert sich der Drall; dies ist jedoch für eine gute Luft/Kraftstoff-Vermischung nachteilig.
Schließlich kann die Gesamttiefe der Kolbenmulde etwa das 0,6 - 0,8fache des Durchmessers der Eintrittsöffnung betragen.
-Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. Es
zeigen:
Fig. 1 einen Ausschnitt eines Kolbenbodens mit einer Anordnung der Einspritzdüse im Zylinderkopf
und
Fig. 2 eine Anordnung von Kolben und Einspritzdüse im Grundriß.
Der in den Figuren dargestellte Kolben 1 weist in seinem Kolbenboden 2 eine rotationssymmetrische Kolbenmulde 3 auf,
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die aus einem zylindrischen Hals 4 und den sich, anschliessenden
konischen Seitenwänden 5 gebildet wird, wobei zwischen Seitenwand 5 und Boden 6 ein umlaufender, im Querschnitt
spitz vorspringender Ringwulst ~ vorgesehen ist.
Der Ringwulst 7 wird durch zwei etwa rechtwinklig aufeinander zulaufende Ringwulstflanken 8, 9 gebildet. Die der Eintrittsöffnung
10 zugekehrt liegende Ringwulstflanke 9 liegt
im Querschnitt etwa parallel zum Kolbenboden 2 und geht mit einem Radius 9' von etwa 2-3 nun in die Seitenwand 5
über. Die umlaufende Kante 11 des Ringwulstes 7 verläuft hierbei in einer Ebene parallel zum Boden 6 der Kolbenmulde 3·
Der axiale Abstand 12 der Ebene der Ringwulstflanke 9 vom
Boden 6 beträgt etwa 12 - 33 /^ der Gesamttiefe 18 der Kolbenmulde
3· Es hat sich als Vorteilhaft erwiesen, wenn der Durchmesser der Ringwulstkante 11 etwa dem 0,9 - 1,1 fachen
Durchmesser der Eintritts öffnung 10 angepaßt wird, wobei
der Durchmesser der Eintrittsöffnung etwa 0,3S - ο,4 des
Kolbendurchmessers 19 ist.
Der Boden 6 der Kolbenmulde 3 kann mit einem Radius von
etwa 20 - 35 ^ der Gesamttiefe 18 in die Ringwulstflanke 8
übergehen.
Vorteilhafterveise wird der Kolbenmulde 3 eine Einspritzdüse
13 zugeordnet, deren Strahl (en )1 '4, 15) 1ö alle auf
die Seitenwand 5 der Kolbenmulde 3 gerichtet ist bzw. sind,
und etwa axial in der Mitte zwischen der Ringwulstkante 11 und dem Kolbenboden 2 auftreffen. Die Einspritzdüse 13
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kann in an sich bekannter Weise exzentrisch zur Kolbenmulde
3> jedoch noch innerhalb deren Eintrittsöffnung 10
angeordnet sein. Zur Erhaltung des Dralles hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den Konizitätswinkel 17 der Seitenwände
5 in den Grenzen von 7 bis 15 zu halten. Die Gesamthöhe
18 soll hierbei jedoch nicht größer als das 0,6 -
0,8fache des Durchmessers der Eintrittsöffnung 10 sein.
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