DE3725485C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 sowie auf ein Ver­ fahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine nach dem Gat­ tungsbegriff des Patentanspruchs 9, um in einem Zylinder der Brennkraftmaschine eine gelenkte Ausbreitung der Flammen­ front des gezündeten Luft-Brennstoffgemischs zu erreichen.

Um in einer Brennkraftmaschine mit einem Brennraum und einer mit Brennstoff beschickbaren Vorkammer, die durch einen Überströmkanal miteinander verbunden sind, die Verbrennungs­ spitzentemperaturen in der Vorkammer zu senken und dadurch die entstehende Menge von NO _x zu verringern, wird ein klei­ ner Anteil des eingespritzten Brennstoffs vor der Selbstzün­ dung des Luft-Brennstoffgemischs in der Vorkammer in den Hauptbrennraum überführt (siehe z. B. die JP-GM-OS 57-1 74 725).

Wenn jedoch stärkere Turbulenzen oder andere, eine Durchmi­ schung fördernde Einflüsse im Brennraum nicht vorhanden sind, so neigt der größte Teil des in den Brennraum einge­ führten Brennstoffs dazu, im Bereich des Auslasses des Über­ strömkanals zu verharren. Eine im Kolbenboden ausgebildete Vertiefung übt nur einen geringen Einfluß auf die Ausbrei­ tung der Flammenfront aus, so daß diese nach ihrem Austritt aus dem Überströmkanal über einen diesem gegenüberliegenden, abgerundeten Rand der Vertiefung hinwegspringt, so daß der im Bereich des Auslasses des Überströmkanals verharrende Brennstoff von einer breiten, ausgedehnten Flammenfront mit­ gerissen wird. Dabei transportiert die Flammenfront den in den Brennraum überführten Brennstoff in relativ kühle Berei­ che des Brennraumes, wodurch es nicht zu einer ausreichenden Durchmischung der brennstoffreichen oder fetten Flammenfront und insbesondere des von dieser mitgerissenen Brennstoffs mit der im Brennraum vorhandenen Luft kommt, so daß die Ver­ brennung nicht ausreichend schnell und vollständig erfolgt, um eine gute Motorleistung bei niedrigem Schadstoffausstoß zu erzielen. Insofern tritt im Bereich des Motors mit nie­ driger Belastung ein erhöhter Ausstoß von Kohlenwasserstoff in den Abgasen auf, während unter hoher Belastung eine star­ ke Rauchentwicklung eintreten kann.

Um dieses Problem zu lösen, wurde durch die JP-61-1 822(A), veröffentlicht am 7. 1. 1986, vorgeschlagen, im Kolbenboden einer eine Vorkammer, einen Brennraum sowie einen diese ver­ bindenden Überströmkanal aufweisenden Brennkraftmaschine ei­ ne flache Vertiefung auszubilden, die zwei symmetrisch ange­ ordnete, kreisförmige Bereiche hat, welche im Bereich ihrer Symmetrieachse in einen nasenförmigen Wandabschnitt überge­ hen, der die aus dem Überströmkanal austretende Flammenfront in zwei Teilströme aufteilt. Hierbei werden die beiden Teil­ ströme durch den aufteilenden Wandabschnitt unmittelbar zu den kälteren Wandteilen des Brennraums hingelenkt, so daß eine zufriedenstellende Abgaszusammensetzung und Verringe­ rung der Rauchentwicklung noch nicht erreicht werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftma­ schine der aus der obengenannten JP-Patentveröffentlichung bekannten Gattung derart weiterzubilden, daß das aus dem Überströmkanal austretende Luft-Brennstoffgemisch möglichst frühzeitg auf die im Kolbenboden ausgebildeten Vertiefungen verteilt wird, damit bei einem späteren Auftreffen der Flam­ menfront auf den die beiden Vertiefungsbereiche trennenden Wandabschnitt die Flammenfront nicht in einem früheren Zeit­ punkt zu den kälteren Wandteilen des Brennraumes gelangt, sondern in der wärmeren Vertiefung gehalten wird, so daß ei­ ne noch wirksamere Verbrennung bei verbesserter Abgaszusam­ mensetzung und verminderter Rauchentwicklung erreicht wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Brennkraftmaschine nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 und bei einem Verfah­ ren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine nach dem Gattungs­ begriff des Patentanspruchs 9 durch die im kennzeichnenden Teil dieser Patentansprüche herausgestellten Merkmale ge­ löst.

Durch die Anordnung einer keilförmigen Erhebung nahe dem Austritt des Luft-Brennstoffgemischs aus dem Überströmkanal wird die sich ausbildende Flammenfront in erster Linie, wenn der Kolben in der dem oberen Totpunkt nahen Stellung ist, in der wärmeren Vertiefung gehalten, während sie erst dann, wenn der Kolben sich um eine vorgegebene Strecke aus der oberen Totpunktstellung abwärts bewegt hat, durch den nasen­ förmigen Wandabschnitt nach außen zu den kälteren Wandberei­ chen des Brennraumes hin gelenkt wird.

Zum Stand der Technik ist noch auf die GB-21 51 703-A zu verweisen, aus der es bekannt ist, am Boden eines Kolbens stehende Rippen oder Zapfen mit Abstand voneinander vorzuse­ hen, die mit Bezug zu der Eintrittsstelle des Brennstoffs in den Zylinder in bogenförmigen Reihen mit ansteigendem Radius angeordnet sind, um die Turbulenzen in der unverbrannten La­ dung zu erhöhen, wenn die Flamme auf diese stehenden Hinder­ nisse trifft. Es soll dadurch verhindert werden, daß kein Sektor der sich ausbreitenden Flammenfront ohne eine Ablen­ kung durch die Hindernisse quer über den Kolbenboden sich ausbreiten kann. Eine gezielte Ablenkung und ein beabsich­ tigtes Verweilen der Flammenfront am bzw. im Kolbenboden tritt bei diesem Stand der Technik nicht auf und ist auch nicht beabsichtigt.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen an­ hand von verschiedenen Ausführungsformen erläutert. Es zeigen

Fig. 1 und 2 eine Draufsicht und eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 3 und 4 eine Schnittansicht und eine Draufsicht einer zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 5, 6 und 7, 8 jeweils eine dritte bzw. vierte Ausfüh­ rungsform gemäß der Erfindung.

In der in Fig. 1 und 2 gezeigten ersten Ausführungsform ist im Boden eines Kolbens 100 eine Vertiefung 103 für die Aus­ breitung einer Flammenfront ausgebildet. Die Vertiefung 103 ist durch einander gegenüberstehende profilierte Wandberei­ che 101 und 102 begrenzt und ist relativ flach, wodurch eine Verringerung der Kompression, wie sie bei einer Vertiefung von übermäßig großem Volumen unvermeidbar wäre, verhindert wird.

Zur Erleichterung der Beschreibung der Form und Anordnung der verschiedenen Bereiche der Vertiefung 103 sind in Fig. 1 eine erste und eine zweite Bezugslinie A bzw. B eingezeich­ net, welche lotrecht zueinander verlaufen und sich im Mit­ telpunkt O des Kolbenbodens schneiden.

Bei dieser ersten Ausführungsform weist die Vertiefung 103 einen kurzen Einlaßbereich 104 auf, welcher in den Wandbe­ reich 101 hineinreicht und auf der Bezugslinie A liegt. Der Einlaßbereich 104 ist so ausgebildet, daß er mit einem Ende nahe dem Umfang des Kolbens 100 und unter der Mündung eines Überströmkanals 106 liegt, welcher den Brennraum mit einer Vorkammer 108 verbindet.

Die beiderseits des Einlaßbereichs 104 verlaufenden Teile des ersten Wandbereichs 101 begrenzen einen ersten, etwa halbmondförmigen Ausbreitungsbereich 110, welcher in bezug auf die Bezugslinie A symmetrisch ist und an einer Stelle knapp unterhalb der Mündung des Überströmkanals 106 in den Einlaßbereich 104 übergeht.

Symmetrisch zur ersten Bezugslinie A und im wesentlichen in Richtung der zweiten Bezugslinie B miteinander fluchtend sind ein zweiter und ein dritter, jeweils kreisförmiger Aus­ breitungsbereich 112 bzw. 114 ausgebildet, welche einander sowie den ersten Ausbreitungsbereich 110 übergreifen.

In der Mitte zwischen dem ersten, dem zweiten und dem drit­ ten Ausbreitungsbereich 110 bzw. 112 bzw. 114 ist auf der Bezugslinie A zwischen der Mündung des Überströmkanals 106 und dem Zentrum O des Kolbens 100 eine keilförmige Erhebung 116 vorhanden, die so ausgebildet und angeordnet ist, daß sie im Weg der sich in der ersten Phase der Verbrennung vom Überströmkanal 116 her ausbreitenden Flammenfront liegt, während sich der Kolben 100 noch in einer Stellung nahe dem oberen Totpunkt befindet. An der Anströmseite hat die Erhe­ bung 116 in der Ausbreitungsrichtung der Flammenfront aus­ einanderstrebende Flanken für eine erste Unterteilung der Flammenfront. Die beiden Flanken der keilförmigen Erhebung 116 gehen unter einem Winkel α auseinander.

Ein zweiter Flammenfrontabweiser ist in Form einer Nase 120 aus Teilen des zweiten profilierten Wandbereichs 102 gebil­ det und ragt zwischen den zweiten und den dritten Ausbrei­ tungsbereich 112 bzw. 114 hinein. Die Flanken der Nase 120 streben unter einem Winkel β auseinander. Gemäß der Erfin­ dung ist der Winkel α vorzugsweise größer als der Winkel β.

In Fig. 1 ist zu erkennen, daß sich der zweite und der drit­ te Ausbreitungsbereich 112 bzw. 114 jeweils bis zum äußeren Umfang des Kolbens 100 erstrecken.

Die Wirkungsweise der vorstehend beschriebenen Anordnung ist derart, daß die beim Verbrennungshub des Motors aus dem Überströmkanal 106 austretende Flammenfront zunächst auf den ersten Flammenfrontabweiser, d. h. die keilförmige Erhebung 16 trifft. Dadurch werden Teile der Flammenfront auswärts und rückwärts abgelenkt, wie durch Pfeile a 1 in Fig. 1 ange­ deutet ist. Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 100 wandert dann der Bereich, in welchem die aus dem Überströmkanal 106 austretende Flammenfront den Kolbenboden beaufschlagt, von der Anströmseite der Erhebung 116 in Richtung auf das Zen­ trum O des Kolbens und den zweiten Flammenfrontabweiser 120. Nachdem sich also der Kolben 100 um ein vorgegebenes Maß aus der oberen Totpunktstellung abwärts bewegt hat, wird die Flammenfront dann durch den zweiten Flammenfrontabweiser 120 in der durch Pfeile a 2 in Fig. 1 dargestellten Weise ge­ teilt.

Durch diese Teilung der Flammenfront in zwei Schritten er­ gibt sich eine durch eine gestrichelte Linie P 1 angedeutete Ausbreitung der Flammenfront. Diese Ausbreitung der Flammen­ front ist beträchtlich größer als diejenige bei Ausführungs­ formen nach dem Stand der Technik und erfaßt beträchtlich schneller ein erheblich größeres Volumen der im Brennraum vorhandenen Luft. Dadurch ergibt sich eine vollständigere und schnellere Verbrennung des vor Einsetzen der Verbrennung in den Brennraum gelangten Brennstoffanteils sowie der un­ verbrannten Brennstoffanteile in der aus dem Überströmkanal austretenden Flammenfront, so daß der Ausstoß von Kohlenwas­ serstoffen bei niedriger Belastung sowie die Freisetzung von Rauch unter hoher Belastung herabgesetzt werden.

Im Rahmen der Erfindung können die die Vertiefung begrenzen­ den und dazugehörigen Teile einstückig mit dem Kolben ausge­ bildet sein. Ebenso ist es möglich, einzelne Teile aus kera­ mischem Werkstoff und andere aus Metall zu fertigen.

Die Fig. 3 und 4 zeigen eine zweite Ausführungsform gemäß der Erfindung. Hierbei ist der Einlaßbereich 104 kürzer als bei der ersten Ausführungsform, und der ersten Flammenfront­ abweiser, d. h. die keilförmige Erhebung 210 hat vier abge­ rundete Ecken sowie diese miteinander verbindende, leicht eingebuchtete Wände. Die erste, anströmseitige Ecke ist dem Einlaßbereich 104 zugewandt, die beiden seitlichen Ecken sind im wesentlichen rechtwinkelig zur Bezugslinie A ausge­ richtet und die abströmseitige Ecke ist dem nasenförmigen zweiten Flammenfrontabweiser 120 zugewandt.

Am ersten Wandbereich 201 sind zwei einwärts gerichtete, fingerförmige Flammenführungen 212 und 214 ausgebildet, wel­ che bei dieser Ausführungsform ungefähr auf die abströmsei­ tige Ecke der Erhebung 210 gerichtet sind.

Bei Austritt der Flammenfront aus dem Überströmkanal 106 trifft diese zunächst auf die anströmseitige angerundete Ecke der Erhebung 210, wodurch sie in zwei Strömungsäste zerteilt wird. Diese werden von den Flammenführungen 212 und 214 wieder zurück zur Mitte des Kolbens 100 gelenkt, so daß sich im wesentlichen kreisförmige Strömungswirbel ergeben, wie durch den Pfeil a 3 in Fig. 4 angedeutet ist. Diese zwei­ te Ablenkung der Flammenfront verstärkt die Wirbelströmungen in den im wesentlichen kreisförmigen Ausbreitungsbereichen 112 und 114. Die Ausbreitung der Flammenfront insgesamt ist wiederum durch eine gestrichelte Linie P 2 angedeutet.

Ein dritte Ausführungsform gemäß der Erfindung ist in den Fig. 5 und 6 dargestellt. Sie unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform im wesentlichen dadurch, daß dem Überströmkanal 106 im wesentlichen diametral gegenüber eine zweite, etwa halbmondförmige Vertiefung 220 nahe dem äußeren Umfang des Kolbens 100 im Kolbenboden ausgebildet ist. Diese Vertiefung 220 dient dazu, den Anteil des gegen die relativ kühle Wand der Zylinderbohrung treffenden und sich dabei ab­ kühlenden Gemischs möglichst zu verringern und dadurch die Konzentration von Kohlenwasserstoffen in den Abgasen des Mo­ tors herabzusetzen.

Die Fig. 7 und 8 zeigen eine vierte Ausführungsform gemäß der Erfindung. Hierbei setzt sich der erste Flammenfrontab­ weiser, d. h. die keilförmige Erhebung, aus zwei im wesentli­ chen gleichen, spiegelbildlich zueinander angeordneten Tei­ len 302 und 304 zusammen, welche in bezug auf die Linie A symmetrisch sind und einen auf den nasenförmigen Wandab­ schnitt 120 gerichteten Durchlaß 306 zwischen sich freilas­ sen. Die Breite des Durchlasses 306 ist dabei kleiner als die des Überströmkanals 106. Dementsprechend wird das Vor­ dringen der Flammenfront durch den Durchlaß 306 gedrosselt, so daß zwei seitliche Teilströme entstehen. Diese werden durch Flammenführungen 312 und 314 umgelenkt, so daß sie sich wieder mit dem durch den Durchlaß 306 vorgedrungenen Teilstrom vermischen und anschließend gegen den zweiten Flammenfrontabweiser, d. h. den nasenförmigen Wandabschnitt 120 treffen. Zu diesem Zweck sind die Führungen 312 und 314 zu einer Stelle an der Abströmseite der beiden Teile 302 und 304 der keilförmigen Erhebungen hin gerichtet.

Diese Anordnung führt zur Ausbildung einer weit ausgebreite­ ten Flammenfront, wie durch die gestrichelte Linie P 4 ange­ deutet ist.

Claims (10)

1. Brennkraftmaschine mit einem in einer Zylinderbohrung ge­ führten Kolben, mit einem Brennraum und einer mit Brennstoff beschickbaren Vorkammer, welche über einen Überströmkanal miteinander verbunden sind, mit einer im Boden des Kolbens ausgebildeten, flachen Vertiefung, die zwei symmetrisch an­ geordnete, kreisförmige Bereiche aufweist und die im Bereich ihrer Symmetrieachse in einen nasenförmigen Wandabschnitt übergehen, welcher die aus dem Überströmkanal austretende Flammenfront in zwei Teilströme aufteilt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in der Vertiefung (103) eine keilförmige Erhe­ bung (116, 210, 302, 304) angeformt ist, die - in Richtung der sich ausbreitenden Flammenfront gesehen - vor dem nasenför­ migen Wandabschnitt (120) liegt und eine erste Unterteilung der Flammenfront bewirkt.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die keilförmige Erhebung (116, 210, 302, 304) zwischen dem Zentrum (O) des Kolbenbodens und dem Überströmkanal (106) angeordnet ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die die kreisförmigen Bereiche (112, 114) auf der Seite des Überströmkanals (106) begrenzenden Wandab­ schnitte (201) jeweils mit einer Flammenführung (212, 214, 312, 314), die einwärts zur Abströmseite der keil­ förmigen Erhebung (210, 302, 304) hin gerichtet ist, versehen sind.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Boden des Kolbens (100) eine zweite Vertiefung (220) ausgebildet ist, welche der Stelle, an welcher der Überströmkanal (106) in den Brennraum mündet, im wesentlichen diametral gegenüberliegend angeordnet ist, so daß der nasenförmige Wandabschnitt (120) zwischen der Erhebung (210) und der zweiten Vertiefung (220) liegt.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die keilförmige Erhebung (116) ei­ nen vorbestimmten ersten Winkel (α) einschließt und der na­ senförmige Wandabschnitt (120) im wesentlichen keilförmig ist sowie einen vorbestimmten zweiten Winkel (β) ein­ schließt, wobei der zweite vorbestimmte Winkel kleiner ist als der erste vorbestimmte Winkel.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Vertiefung (102) einen im wesentlichen halb­ mondförmigen ersten Abschnitt (110), einen von diesem ersten Abschnitt ausgehenden, mit einem Ende nahe dem äußeren Um­ fang des Kolbens (100) unterhalb der Stelle, an welcher der Überströmkanal (106) in den Brennraum mündet, liegenden Ein­ laßbereich (104) sowie die beiden kreisförmigen Bereiche (112, 114), die am jeweiligen Rand des Kolbenbodens auslau­ fen, aufweist, wobei sich der mit dem Überströmkanal (106) in Verbindung stehende, im Kolbenboden ausgebildete Einlaß­ bereich (104), die keilförmige Erhebungen (116, 210, 302, 304) und der nasenförmige Wandabschnitt (210) auf der Symmetrie­ achse (A) der beiden kreisförmigen Bereiche befinden.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die keilförmige Erhebung in ein erstes und ein zweites, spiegelbildlich zur Symmetrieachse (A) angeordnetes Teil (302, 304) getrennt ist, zwischen denen hindurch ein auf den nasenförmigen Wandabschnitt (120) gerichteter Durchlaß (306) verläuft.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Breite des Durchlasses (306) kleiner ist als die des Überströmkanals (106).

9. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, bei der in einer über einen Überströmkanal mit einem Brennraum verbundener Vorkammer ein brennbares Luft-Brenn­ stoffgemisch erzeugt wird, das Luft-Brennstoffgemisch zur Verbrennung gebracht wird, eine Flammenfront durch den Überströmkanal hindurch in den Brennraum sowie in eine im Boden des Kolbens ausgebildete flache Vertiefung geleitet wird, die zwei symmetrisch angeordnete kreisförmige Bereiche aufweist, welche im Bereich ihrer Symmetrieachse in einen nasenförmigen Wandabschnitt übergehen, durch den die aus dem Überströmkanal austretende Flammenfront in zwei Teilströme aufgeteilt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammen­ front, wenn sich der Kolben in einer Stellung nahe dem obe­ ren Totpunkt befindet, durch eine keilförmige Erhebung auf­ geteilt wird, bevor sie vom nasenförmigen Wandabschnitt, nachdem sich der Kolben um ein vorgegebenes Ausmaß aus der oberen Totpunktstellung abwärts bewegt hat, erneut aufge­ teilt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Einleiten der Verbrennung eine kleine Brennstoff­ teilmenge aus der Vorkammer in den Brennraum geführt wird.