DE3314662C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brennraum für eine selbst­ zündende Einspritzbrennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Brennraumgestaltungen sind von Wirbelkammer-Dieselmo­ toren her bekannt (z. B. DE-OS 28 43 343). Bei diesen Brennkraft­ maschinen erfolgt die Zündung nach Einspritzung des Kraftstoffes in die als Wirbelkammer ausgebildete zweite Brennkammer durch Selbstzündung. Nach der Zündung tritt ein Flammenstrahl aus der zweiten oder Wirbelkammer durch den Verbindungskanal in die erste Brennkammer, deren Volumen bei Einhaltung engster Toleranzen zwi­ schen dem Kolben und dem Zylinderkopf zu einem wesentlichen Teil durch eine in den Kolbenboden eingearbeitete Kolbenmulde sowie durch die im Bereich der Ventilteller im Zylinderkopf angeordneten Ventiltaschen gebildet wird. Die Kolbenmulde, in die der aus dem Verbindungskanal austretende Flammenstrahl einschießt, hat dabei auch die Aufgabe, die Flammengase nach Möglichkeit gleichmäßig über das gesamte Volumen der ersten Brennkammer, die zwischen dem Kolben und dem Zylinderkopf gebildet ist, zu verteilen. Erst da­ durch kann eine weitgehende Verbrennung der gesamten Zylinderla­ dung zur Erreichung eines hohen Wirkungsgrades der Brennkraftma­ schine bei möglichst geringer Rußbildung sichergestellt werden.

Besonders bei Dieselmotoren mit kleinem Hubraum bestehen nun Schwie­ rigkeiten, das für die Selbstzündung und vor allem ein sicheres Star­ ten erforderliche hohe Verdichtungsverhältnis einzuhalten. So ist der sich im oberen Totpunkt des Kolbens einstellende Abstand zwischen der Kolbenstirnfläche und dem Zylinderkopf durch die bei der Ferti­ gung auftretenden Toleranzen weitgehend festgelegt. Auch die Tiefe der Ventiltaschen ist durch die Forderung, in jedem Fall Ventilauf­ setzer zu vermeiden, bestimmt und kaum mehr veränderbar, so daß da­ durch ein wesentlicher Teil des Volumens der ersten Brennkammer fest­ gelegt ist. Darüberhinaus muß danach getrachtet werden, einen möglichst großen Teil des gesamten Brennraumvolumens in der Wirbelkammer zu kon­ zentrieren, so daß für die Kolbenmulde selbst nur noch wenig Volumen zur Verfügung verbleibt. Diese Kolbenmulde hat aber aufgrund ihrer Verteilerfunktion wesentlichen Einfluß auf die Güte der Verbrennung gerade in der ersten Brennkammer, die immerhin etwa die Hälfte des Volumens des gesamten Brennraums umfaßt.

Die Kolbenmulde in dem aus der DE-OS 28 43 343 bekannten Wirbelkam­ mer-Dieselmotor ist nun brillenförmig ausgebildet und besteht aus zwei miteinander verbundenen, symmetrisch zu einem in der Ebene des Verbindungskanals liegenden Kolbendurchmesser angeordneten, kreisför­ migen Ausnehmungen sowie aus einer dem Verbindungskanal gegenüberlie­ genden, diametral gerichteten Anströmrinne. Die beiden kreisförmigen Ausnehmungen der Kolbenmulde liegen hier noch nicht einmal unterhalb der in dem Zylinderkopf angeordneten Ventiltaschen, so daß zum einen eine ungünstige Strömungsbeaufschlagung dieser Ventiltaschen durch den aus dem Verbindungskanal austretenden Flammenstrahl erfolgt und zum zweiten allzu viel Volumen für die Führung des Flammenstrahls er­ forderlich ist, was die Erzielung hoher Verdichtungsverhältnisse in der Brennkraftmaschine ausschließt. Dagegen war es aus der CH-PS 1 84 957, insbesondere deren Fig. 9 und 10, bereits bekannt, die kreisförmigen Aussparungen der Kolbenmulde direkt unterhalb der Ven­ tilteller anzuordnen und als Ventiltaschen zu verwenden, in die der Flammenstrahl über eine diametral in dem Kolbenboden liegende An­ strömrinne geführt wird. Diese Ausbildung ist jedoch insofern nach­ teilig, als zum einen die Fertigung einer solchen brillenförmi­ gen Kolbenmulde relativ aufwendig ist und zum anderen der Ver­ zweigungspunkt für den Zündstrahl, an dem jeweils etwa die Hälf­ te des Massenstroms zu den beiden kreisförmigen Aussparungen um­ gelenkt wird, gerade unterhalb der engsten Stelle des zwischen den beiden Ventiltaschen liegenden Ventilstegbereiches angeord­ net ist. Diese Verzweigungsstelle wird nämlich durch den direkt auftreffenden Feuerstrahl thermisch besonders hoch belastet, weshalb deren Anordnung gerade an der engsten Stelle des Ventil­ stegbereiches, der besonders bei kleinen Motoren aufgrund des an dieser Stelle fehlenden Kühlmantels schlecht gekühlt werden kann, besonders ungünstig ist. Schließlich erfordert die symme­ trische Ausbildung der Kolbenmulde zumindest dann überflüssig viel Brennraumvolumen, wenn die beiden Ventile unterschiedlich groß sind.

Die Viertakteinspritzbrennkraftmaschine nach der gattungbilden­ den DE-AS 10 89 588 weist zwar zwei im Bereich der Ventilteller im Zylinderkopf angeordnete Ventiltaschen auf, jedoch sind diese strömungsmäßig durch einen Querkanal zu einer Einheit verbunden. Die Äste der in den Kolbenboden eingearbeiteten Rinne münden diametral in die Ventiltaschen ein, wobei an den Einmündungs­ stellen Stolperkanten zwecks Erzeugung einer Wirbelbildung im zuströmenden Gasstrom vorgesehen sind. Abgesehen von einer schwierigen Herstellung einer derart gestalteten Kolbenmulde be­ sitzt diese bekannte Konstruktion den Nachteil, daß infolge Vor­ handenseins eines Verbindungskanals zwischen den beiden Ventil­ taschen dem oben genannten Gesichtspunkt, einen möglichst großen Teil des gesamten Brennraumvolumens in der Wirbelkammer zu konzentrieren, nicht Rechnung getragen wird.

Die selbstzündende Einspritz-Brennkraftmaschine nach der DE-OS 27 05 271 besitzt eine Kolbenmulde in Gestalt kreisringscheiben­ förmiger Ausnehmungen mit ansteigendem Höhenprofil, die in ent­ gegengesetztem Drehsinn von den aus dem Verbindungskanal austre­ tenden Gasen beaufschlagt werden. Hier werden also nicht die ohnehin vorhandenen Ventiltaschen zur Bildung der ersten Brenn­ kammer ausgenutzt, so daß die aufwendige Ausbildung der Kolben­ mulde bei diesem Stand der Technik ein unerwünschtes zusätz­ liches Volumen der ersten Brennkammer bedeutet.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, einen Brennraum für eine selbstzündende Einspritzbrennkraftma­ schine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art zu schaffen, bei dem einerseits ein möglichst großer Teil des Ver­ dichtungsvolumens in der durch die Wirbelkammer gebildeten zwei­ ten Brennkammer konzentriert ist und bei der andererseits die Ausbildung der Kolbenmulde so getroffen wird, daß sie trotz geringen Volumenbedarfs eine hinsichtlich des Verbrennungswir­ kungsgrades optimale Verteilfunktion ausübt. Mit anderen Worten sollen günstige Verbrennungswerte mit niedrigen Rußwerten erzielt werden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß dem Kennzeichen des Pa­ tentanspruchs 1. Da die Kolbenmulde erfindungsgemäß als einfa­ che, sich lediglich zu zwei Ästen verzweigende flache Rinne aus­ gebildet ist, wird zum einen nur außerordentlich wenig Volumen beansprucht, so daß hohe Verdichtungsverhältnisse bei günstiger Konzentrierung eines großen Teils des Brennraumvolumens in der Wirbelkammer erreichbar sind. Zum anderen ist die Form der Kolbenmulde relativ einfach herzustellen und auch vom Standpunkt der thermischen Belastung außerordentlich günstig.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Verzweigungsstelle der beiden Äste der Rinne im Abstand von der engsten Stelle des zwischen den Ventilen befindlichen Ventilsteg­ bereiches liegt, so daß dieser gegen thermische Überlastung besonders empfindliche Ventilstegbereich entlastet wird.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich gemäß den übrigen Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dar­ gestellt und wird im folgenden näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Brennraum einer selbstzündenden Einspritzbrenn­ kraftmaschine gemäß den Schnittlinien I-I nach Fig. 2 und

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Kolben mit der Darstellung der Kolbenmulde.

In der Zeichnung ist mit 1 der Zylinder einer selbstzündenden Ein­ spritzbrennkraftmaschine (Dieselmotor) gezeigt, in dem ein Kolben 2 oszillierend gleitet. Mit 3 ist der Zylinderkopf angegeben, der zu­ sammen mit dem Kolben in dessen oberen Totpunkt eine erste Brennkam­ mer 4 einschließt, die zusammen mit einer zweiten, im wesentlichen durch eine Wirbelkammer 6 und einen Verbindungskanal 7 gebildeten Brennkammer den gesamten Brennraum der Brennkraftmaschine bildet. Dabei wird die Wirbelkammer 6 im wesentlichen durch einen in dem Zy­ linderkopf 3 gehaltenen Vorkammereinsatz 5 begrenzt und eine hier nicht näher gezeigte Einspritzdüse spritzt den Kraftstoff in diese Wirbelkammer 6 in an sich bekannter Weise ein.

Die erste Brennkammer 4 besteht nun im wesentlichen aus einer in den Boden des Kolbens 2 eingearbeiteten Kolbenmulde 8, die, wie aus der Fig. 2 näher ersichtlich ist, als flache, sich zu zwei Ästen 9 und 10 verzweigende Rinne ausgeformt ist. Ein weiterer wesentli­ cher Teil dieser ersten Brennkammer 4 wird aus den im Zylinderkopf 3 angeordneten Ventiltaschen 11 und 12 gebildet, von denen in der Fig 1 die unterhalb des Ventiltellers 13a des Einlaßventils 13 an­ geordnete Ventiltasche 11 gezeigt ist. 16 stellt schließlich noch den scheibenförmigen Spaltraum dar, der zwischen der Kolbenstirn­ fläche und der Unterseite des Zylinderkopfes in der oberen Totpunkt­ stellung des Kolbens 2 verbleibt und der den restlichen Teil des Volumens der ersten Brennkammer 4 umfaßt.

In der Fig. 1 ist noch ein Ventilsitzring 14 für das Einlaß­ ventil 13 sowie ein von dem Einlaßventil 13 gesteuerter Einlaß­ kanal 15 angedeutet.

In der Fig. 2 sind neben dem Kolben 2 mit strichpunktierten Linien auch der Vorkammereinsatz 5 mit der Austrittsöffnung 7a des Ver­ bindungskanals 7 sowie die beiden Ventiltaschen 11 und 12 angedeutet, deren Größe aufgrund unterschiedlicher Durchmesser der Ventilteller des Einlaß- und Auslaßventils unterschiedlich groß sind. Die als flache Rinne mit auslaufenden Endbereichen ausgebildete Kolbenmul­ de 8 ist nun so ausgebildet, daß sie im wesentlichen in Richtung der mit 22 angedeuteten Achse des Verbindungskanals 7 etwa diametral vom Rand des Kolbens 2 zu dessen Mitte hin verläuft. Vor der Mitte des Kolbens verzweigt sich die Rinne jedoch zu zwei Ästen 9 und 10, die jeweils etwa tangential in die Ventiltaschen 11 und 12 einmünden, und zwar derart, daß der aus diesen Ästen austretende Massenstrom in den Ventiltaschen 11 und 12 jeweils eine mit 20 bzw. 21 angedeutete Dreh­ bewegung mit entgegengesetztem Drehsinn ausführt.

Die mit 18 bezeichnete Verzweigungsstelle der beiden Äste 9 und 10 liegt nun mit Abstand von der mit 17 angegebenen engsten Stelle des zwischen den beiden Ventiltaschen 11, 12 liegenden Ventilsteges ent­ fernt, so daß eine thermische Entlastung dieses besonders gefährdeten Bereiches erreicht wird. Der aus dem Verbindungskanal 7 in die Kol­ benmulde 8 austretende Zündstrahl, der sich entsprechend den beiden Pfeilen 19 jeweils zur Hälfte seines Massenstromes auf die beiden Ventiltaschen 11 und 12 verteilt, erhitzt nämlich durch sein direktes Auftreffen die Verzweigungsstelle 18 besonders und würde, wenn diese Verzweigungsstelle direkt unterhalb der engsten Stelle des Ventil­ stegbereiches liegt, diesen Bereich in extremem Maße gefährden, da gerade bei kleineren Motoren diese engste Stelle des Ventilstegbe­ reiches nicht genügend Raum für einen Kühlwassermantel bietet. Erst in einigem Abstand von dieser engsten Stelle 17 kann der im Zylinder­ kopf angeordnete Kühlwassermantel die auftretende Wärme in ausrei­ chendem Maße abführen.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Kolbenmulde 8 als flache relativ geradlinige und sich lediglich an ihrem der Kolbenmitte zu­ gewandten Ende zu zwei Ästen verzweigende Rinne wird zum einen eine relativ einfach herzustellende Form geschaffen, die darüber­ hinaus bei geringstmöglichem Volumenaufwand eine optimale Verteil­ funktion des aus der Wirbelkammer austretenden Zündstrahles bietet. Diese optimale Verteilfunktion erweist sich dadurch, daß mit einer derart gestalteten Kolbenmulde sehr günstige Verbrennungswerte mit sehr niedrigen Rußwerten erzielt wurden. Der geringe Volumenbedarf für die erfindungsgemäße Kolbenmulde läßt darüberhinaus die Möglich­ keit zu, das Gesamtvolumen des Brennraums klein und damit die Ver­ dichtungsverhältnisse hoch zu halten, sowie einen prozentual sehr hohen Anteil des Brennraumvolumens in der Wirbelkammer zu konzentrie­ ren, was ebenfalls den Verbrennungswirkungsgrad eines Wirbel­ kammer-Dieselmotors verbessert. Schließlich ist die erfindungsgemäße Kolben­ mulde auch hinsichtlich der thermischen Belastung des Kolbens und des Zylinderkopfes, insbesondere des Ventilstegbereiches, außeror­ dentlich günstig.

Claims (4)

1. Brennraum für eine selbstzündende Einspritzbrennkraftmaschine bestehend aus einer zwischen dem Kolben und dem Zylinderkopf eingeschlossenen ersten Brennkammer und einer mit dieser über einen Verbindungskanal verbundenen, in einem im Zylinderkopf gehaltenen Vorkammer-Einsatz gebildeten zweiten Brennkammer, in die der Kraftstoff eingespritzt wird, wobei die erste Brennkammer aus im Bereich der Ventilteller angeordneten Ventiltaschen so­ wie einer in den Kolbenboden eingearbeiteten Rinne besteht, die von einer dem Verbindungskanal im wesentlichen gegenüber­ liegenden Stelle ausgeht und sich in zwei in die Ventil­ taschen einmündende Äste verzweigt, dadurch gekennzeichnet, daß die Rinne (8) vom Rand des Kolbens etwa diametral zu dessen Mittenbereich verläuft, daß die dort abzweigenden Äste in die im Zylinderkopf angeordneten Ventiltaschen (11, 12) derart tangential einmünden, daß die aus den Ästen (9, 10) austretenden Massenströme im oberen Totpunkt des Kolbens entgegengesetzte Drehbewegungen in den Ventiltaschen (11, 12) ausführen, die durch einen Ventilstegbereich getrennt sind.

2. Brennraum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzweigungsstelle (18) im Abstand von der engsten Stelle (17) des zwischen den Ventiltaschen (11, 12) befindlichen Ventilstegbereiches liegt.

3. Brennraum nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Äste (9, 10) zur Aufnahme von im wesent­ lichen jeweils der Hälfte des aus dem Verbindungskanal (7) austretenden Massenstroms ausgebildet sind.

4. Brennraum nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Rinne (8) an ihren Endbereichen flach aus­ läuft.