DE4020262A1 - Kolben fuer eine gemischverdichtende brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben für eine gemischverdichtende Brennkraftmaschine gemäß Oberbegriff des Hauptanspruches.

Bei einem gattungsgemäßen, aus der DE-PS 4 65 592 bekannten Kolben ist der Brennraum der Brennkraftmaschine im Bereich des oberen Totpunktes durch einen auf dem Kolbenboden vorgesehenen Quersteg in zwei Einzelbrennnräume unterteilt, wodurch eine Verbesserung der Zünd- und Durchbrenngeschwindigkeit des Ge­ misches sowie eine Erhöhung der spezifischen Leistung der Brennkraftmaschine erreicht wird. Hierzu ist es aber erforder­ lich, daß das Gemisch in jedem Einzelbrennraum über je eine separate Zündkerze gezündet wird. Neben der besonderen Ausge­ staltung des Kolbens sind an einer konventionellen Brennkraft­ maschine (mit nur einer Zündkerze) zusätzlich noch am Zylin­ derkopf Maßnahmen für die Aufnahme einer zweiten Zündkerze zu treffen, was mit einem erhöhten Bau- und Kostenaufwand verbun­ den ist.

Ein gattungsgemäßer Kolben ist ferner aus der US-PS 47 45 891 bekannt. Aber auch hier werden zur Zündung des Gemisches zwei Zündkerzen benötigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Kolben der im Oberbegriff des Hauptanspruches beschriebenen Art zu schaffen, mit welchem bei einer konventionellen Brennkraftmaschine eine Verbesserung der Verbrennung, insbesondere eine Erhöhung der Durchbrenngeschwindigkeit des Gemisches erzielt werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kenn­ zeichnenden Teiles des Hauptanspruches gelöst.

Befindet sich der Kolben im oberen Totpunkt, so wird der Brennraum der Brennkraftmaschine in zwei Einzelbrennräume un­ terteilt. Bei dem erfindungsgemäßen Kolben jedoch ist durch den Durchlaß in dem Quersteg immer noch eine Verbindung geringen Querschnitts zwischen den beiden Einzelbrennräumen gegeben. Wird nun einige Grad vor dem oberen Totpunkt das Gemisch in einem Einzelbrennraum mittels einer Zündkerze gezündet, so kommt es in diesem Einzelbrennraum durch die entstehenden Ver­ brennungsgase zu einem schnellen Druckanstieg. Demzufolge bil­ det sich über die Durchlaßöffnung zu dem anderen Einzelbrenn­ raum eine Strömung heißer Brenngase aus, deren Strömungsge­ schwindigkeit relativ groß ist. Diese Gasströmung verursacht nun in dem anderen Einzelbrennraum ein Verwirbelung des dort vorgelagerten, aber noch nicht gezündeten Gemisches. Ist dieses Gemisch schließlich auch gezündet, so wird es, - eben infolge der zuvor verursachten Verwirbelung - mit einer hohen Durch­ brenngeschwindigkeit umgesetzt. Dies bedeutet, daß die Neigung zum Klopfen, d. h. zum unkontrollierten Zünden von Kraftstoff­ teilchen an Stellen, die von der Flammenfront noch nicht er­ reicht wurden, stark reduziert ist. Es kann daher ein höheres Verdichtungsverhältnis gefahren werden, woraus letztlich ein verbesserter Wirkungsgrad resultiert. Auch kann auf klopfredu­ zierende Maßnahmen, wie z. B. Quetschspalten, welche die Schad­ stoffemission negativ beeinflussen, verzichtet werden. Durch die schnelle Umsetzung des Gemisches kann ferner der Zündzeit­ punkt in Richtung spät verschoben werden, ohne daß die Ver­ brennung zu stark in den Expansionstakt verlagert werden würde.

Mit der Verwendung eines erfindungsgemäßen Kolbens ist eine zweite Zündkerze für den zweiten Einzelbrennraum nicht mehr erforderlich, so daß eine Umrüstung konventioneller Brenn­ kraftmaschinen nur mit einem geringen baulichen Aufwand ver­ bunden ist.

Die Durchlaßöffnung im Quersteg im Bereich der Zylinderwandung anzuordnen, hat den Vorteil, daß sich in dem Einzelbrennraum, in welchen die Strömung übertritt, zusätzlich noch ein Drall ausbildet, wobei in dem Fall, daß in dem Quersteg an beiden Zylinderwandungsenden je eine Durchlaßöffnung vorgesehen ist, sich in dem besagten Einzelbrennraum zwei entgegengesetzt dre­ hende Dralle ausbilden, wodurch die Wirbelbildung verstärkt wird. Ferner wird mit dieser Ausgestaltung bewirkt, daß in dem Einzelbrennraum, in welchen der Gasstrom übertritt, die Entflammung des Gemisches vom Brennraumrrand her erfolgt. Dies führt zu einer Reduzierung der Kohlenwasserstoffemission, da weniger an unverbranntem Gemisch in den Bereich zwischen Kolben und Zylinderwandung (Feuerstegspalt) gelangen kann. Dies gilt für beide Einzelbrennräume insbesondere dann, wenn der Kolben gemäß Anspruch 4 ausgebildet ist.

Mit der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 8 ist eine vorteilhafte Dimensionierung der beiden Einzelbrennräume im Verhältnis zueinander aufgezeigt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den übrigen Unteransprüchen zu entnehmen.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines Ausführungs­ beispieles dargestellt.

Im einzelnen zeigt

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Kolben in einer Draufsicht und

Fig. 2 eine Schnittdarstellung der Fig. 1 längs der Linie II-II.

Fig. 1 zeigt in einer Draufsicht einen in einem Zylinder 1 einer gemischverdichtenden Brennkraftmaschine geführten Kolben 2. Auf dem Kolbenboden 3 ist ein Quersteg 4 angeordnet, welcher in der oberen Totpunktstellung des Kolbens 2 den durch Zylin­ derkopf 20 und Kolben 2 selbst gebildeten Brennraum in zwei Einzelbrennräume 6 und 7 unterteilt. In Fig. 2 ist zu sehen, daß der Kolben 2 sich momentan in seiner oberen Totpunktstel­ lung befindet. Im Bereich der Zylinderwandung 8 ist die Höhe des Quersteges 4 reduziert, so daß dadurch je eine Durchlaß­ öffnung 5 gebildet ist, über welche die beiden Einzelbrennräume 6 und 7 miteinander in Verbindung stehen. Die beiden Einzel­ brennräume 6 und 7 sind gebildet durch in den Kolbenboden 3 eingeformte Mulden 9 bzw. 10, wobei die Höhe der zylinderwandungsseitigen Muldenränder 11 bzw. 12 geringer ist, als die Höhe des Quersteges 4. Die Tiefe der beiden Mulden 9 und 10 ist im Bereich des Quersteges 4 am größten. In die Mulde 9 des Einzelbrennraumes 6 ragt eine im Zylinderkopf 20 ver­ schraubte Zündkerze 13. Ausgehend vom Randbereich des Quer­ steges 4 erstreckt sich in den Einzelbrennraum 6, in welchen die Zündkerze 13 hineinragt, je eine die Mulde 9 dieses Ein­ zelbrennraumes 6 umgreifende Zunge 14 bzw. 15, deren Höhe sich ausgehend von dem Quersteg 4 stetig verringert.

Die Größe der beiden Einzelbrennräume 6 und 7 ist so ausgelegt, daß der Einzelbrennraum 6 etwa 25% und der Einzelbrennraum 7 etwa 75% des gesamten Kompressionsvolumens der Brennkraftma­ schine (Brennraumvolumen im oberen Totpunkt) beträgt.

Während des Betriebes der Brennkraftmaschine wird nun zunächst das angesaugte Gemisch in den beiden Einzelbrennräumen 6 und 7 gleichmäßig verdichtet (die Gaswechselsteuerungsventile wurden der Übersichtlichkeit wegen in der Zeichnung nicht dargestellt). Kurz bevor der Kolben 2 in seine obere Totpunkt­ stellung gelangt, wird das Gemisch in dem Einzelbrennraum 6 über die Zündkerze 13 gezündet. Mit der Umsetzung des Kraft­ stoffgemisches kommt es nun zu einem Druckanstieg in dem Ein­ zelbrennraum 6. Da im Bereich des oberen Totpunktes die beiden Einzelbrennräume 6 und 7 nur über die beiden Durchlaßöffnungen 5 in Verbindung stehen - der Quersteg 4 mit den beiden Zungen 14 und 15 und der Zylinderkopf 20 selbst begrenzen einen nur ver­ gleichsweise minimalen Spalt 21 -, bildet sich nun über diese Durchlaßöffnungen 5 (Druckausgleich zwischen den beiden Ein­ zelbrennräumen 6 und 7) eine Strömung heißer Brenngase aus (Pfeile 16), welche mit einer hohen Geschwindigkeit in den Einzelbrennraum 7 eindringt, dort das vorgelagerte Gemisch verwirbelt und von der Zylinderwandung 8 her entzündet. Die beiden an den Quersteg 4 anschließenden Zungen 14 und 15 dienen ferner als Leitwände, an welchen entlang die heißen Brenngase in Richtung der beiden Durchlaßöffnungen 5 geführt werden. Durch die Wirbelbildung in dem Einzelbrennraum 7 wird das Ge­ misch mit einer relativ hohen Durchbrenngeschwindigkeit umge­ setzt. In dem Einzelbrennraum 7 treffen die beiden über die Durchlaßöffnungen 5 eingetretenen Gasströmungen an der Stelle 17 gegeneinander, wodurch sich zwei entgegengesetzt drehende Wirbel (Pfeile 18 und 19) ausbilden, welche die Durchbrennge­ schwindigkeit des Gemisches zusätzlich erhöhen.

Claims (9)

1. Kolben für eine gemischverdichtende Brennkraftmaschine mit einem auf dem Kolbenboden angeordneten, den Brennraum der Brennkraftmaschine im Bereich des oberen Totpunktes in zwei Einzelbrennräume unterteilenden Quersteg, dadurch gekennzeichnet, daß der Quersteg (4) mindestens eine Durchlaßöffnung (5) zur Verbindung der beiden Einzelbrennräume (6 und 7) aufweist.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlaßöffnung (5) im Bereich der Zylinderwandung (8) vorgesehen ist.

3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Quersteges (4) im Bereich der Zylinderwandung (8) reduziert ist.

4. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Einzelbrennräume (6 bzw. 7) durch Kolbenboden­ mulden (9 bzw. 10) gebildet sind, wobei die Höhe der zylinderwandungsseitigen Muldenränder (11 bzw. 12) geringer ist als die Höhe des Quersteges (4).

5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß nur in einem der beiden Einzelbrennräume (6) eine Zündkerze (13) vorgesehen ist.

6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Quersteg (4) auf jeder Seite in je eine den die Zünd­ kerze (13) aufnehmenden Einzelbrennraum (6) umgreifende Zunge (14 bzw. 15) übergeht, wobei die Höhe der Zungen (14 bzw. 15) sich ausgehend von dem Quersteg (4) stetig verringert.

7. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Quersteg (4) zu dem die Zündkerze (13) aufnehmenden Einzelbrennraum (6) hin abgeschrägt ist.

8. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des die Zündkerze (13) aufnehmenden Einzel­ brennraumes (6) etwa 20-30% und das des anderen Einzelbrenn­ raumes (7) etwa 80-70% des gesamten Kompressionsvolumens der Brennkraftmaschine beträgt.

9. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Tiefe der beiden Kolbenbodenmulden (9 bzw. 10) im Bereich des Quersteges (4) am größten ist.