DE69012641T2

DE69012641T2 - Brennraum für Brennkraftmaschine mit Selbstzündung.

Info

Publication number: DE69012641T2
Application number: DE69012641T
Authority: DE
Inventors: Laroslav Brychta; Vladimir Jirkovsky; Eduard Lutisan
Original assignee: AVIA KONCERN PRAHA
Current assignee: AVIA KONCERN PRAHA
Priority date: 1989-05-12
Filing date: 1990-05-11
Publication date: 1995-04-06
Anticipated expiration: 2010-05-12
Also published as: ATE112015T1; US5007394A; EP0397191B1; DE69012641D1; CS8902858A1; EP0397191A1; CS276015B6; DD294318A5

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben fur eine Brennkraftmaschine mit Selbstzündung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE-A-2 025 804 ist ein derartiger Kolben fur eine Brennkraftmaschine mit mehrstrahliger Krattstoffeinspritzung und Selbstzündung bekannt, bei dem eine Brennkammer zentral in dem Kolbenkopf angeordnet ist, die von einer zylindrischen oder geringfügig konischen Seitenwand begrenzt wird. Im Kammerboden sind zwei semitoroidale Ausnehmungen ausgebildet, die konzentrisch zur Kolbenachse angeordnet sind. Im zentralen Abschnitt der inneren Ausnehmung ist ein konischer Ansatz angeordnet, der als Strahlverteiler für den zentralen Krattstoffstrahl einer Mehrloch-Einspritzdüse dient. Die innere semitoroidale Ausnehmung ist durch eine ringförmige Barriere von der äußeren semitoroidalen Ausnehmung getrennt. In der Brennkammer wird insbesondere im mittleren Abschnitt des Brennraums eine intensive Turbulenz erzeugt. Der konische Ansatz im zentralen Bereich des Kammerbodens vermindert das Volumen im zentralen Abschnitt der Brennkammer, in welchem durch den zentralen Krattstoffstrahl ein verhältnismäßig reiches Gemisch erzeugt wird.
Die DE-A-30 18 577 offenbart einen weiteren Kolben für selbstzündende Brennkrattmaschinen mit direkter Kraftstoffeinspritzung durch Mehrloch- Einspritzdüsen, bei denen eine Brennkammer exzentrisch im Kolbenkopf angeordnet ist und im zentralen Bereich des Kammerbodens einen konischen Vorsprung aufweist, der zusammen mit einer weiteren Formung der Brennkammer zur Erzeugung eines Kraftstoffgemischwirbels dient. Aufgrund einer Volumenverringerung im zentralen Teil der Brennkammer, in dem sich nach dem Einspritzen das magerste Kraftstoffgemisch befindet, ergibt sich eine schnellere Verbrennung des Kraftstoffgemischs, die zu einer nachteiligen der Erhöhung der Verbrennungsdrücke führt.
Diese bekannten Brennkammern bewirken, zur Gewährleistung einer guten Zündung des Gemischs einen Wirbelvorgang und eine geeignete Verteilung des Kraftstoffgemischs in der Brennkammer. Zur Erzielung einer verbesserten Verteilung des Verbrennungsdrucks sind diese Brennkammern normalerweise koaxial zur Zylinderachse oder zu dieser Achse um maximal das 0,2-fache des Durchmessers der Brennkammer versetzt angeordnet. Wenn die Verlagerung der Brennkammer größer ist, teilt sich der Wirbel der einströmenden Luft in mehrere Wirbel, was die Zusammensetzung und Verteilung des Kraftstoffgemischs in der Brennkammer nachteilig beeinflußt, die Zündung stört und die Verbrennungsdrücke, den spezifischen Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen erhöht.
Und daneben ist eine größere Verlagerung der Brennstoffkammer bezuglich des Erfordernisses einer größeren Verlagerung des Einspritzsstrahls wünschenswert, die eine kompromißlose Anordnung der Saug- und Abgasleitung im Zylinderkopf des Motors und der Ventilanlage ermöglicht.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kolben mit einer Brennkammer für die direkte Kraftstoffeinspritzung durch einen Mehrloch-Einspritzstrahl zu schaffen, bei welchem, selbst bei einer Versetzung der Kammerachse zur Kolbenachse größer als das 0,2-fache des Durchmessers der Brennkammer, ein ungestörter Füllwirbel in der Brennkammer erhalten wird, mit einer guten Erzeugung und Verteilung des Kraftstoffgemischs bei einer leichteren Zündung des Kraftstoffs, ohne eine Erhöhung des Verbrennungsdrucks und der Geräusche, und mit der Möglichkeit einer größeren Versetzung der Position des Einspritzstrahls, eines vereinfachten Aufbaus des Kolbenkopfes und einer optimierten Anordnung der Einsaug- und Abgaskanäle sowie und der Ventilanordnungen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhaft beträgt das Volumen der zentralen Ausnehmung 2 - 10 % des Volumens der gesamten Brennkammer im Kolbenkopf.
Vom Standpunkt der Fertigung ist es vorteilhaft, wenn die periphere Ausnehmung im Kammerboden eine semitoroidale Form aufweist und durch die Drehung eines halbkugelförmigen Bogens um die Achse der Brennkammer gebildet wird. Die zentrale Ausnehmung im Kammerboden sollte halbkugelförmig sein und folgendes sollte eingehalten werden: der Radius des Bogens, der die periphere Ausnehmung bildet, beträgt das 0,4- bis 0,55-fache des Abstands ihrer Mitte von der Brennkammerachse, der peripheren Ausnehmung im Kammerboden folgt gleichförmig die Rotationsseitenwandfläche, deren Verlängerung in Form einer geraden Linie mit der Brennkammerachse einen Winkel von 0,0 bis 20º bildet, dessen Scheitelpunkt über dem Kolben liegt.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Brennkammer anhand der schematischen Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Axialabschnitt A-A eines Kolbens;
Fig. 2 eine Draufsicht des Kolbens.
Nach Fig. 1 ist in einen Kolbenkopf 1 eine Brennkammer 2 ausgebildet, die von einer Rotationsseitenwand 17 und einem geformten Boden mit einer peripheren semitoroidalen Ausnehmung 4 begrenzt wird, die mit ihrem inneren Umfang bis zum Scheitel 16 einer Barriere 15 verläuft. Die ringförmige Barriere 15 umgibt eine halbkugelförmige zentrale Ausnehmung 3. Der Boden der Brennkammer 2 bezeichnet die Fläche unter der vom oberen Kreis 18 der Barriere 15 definierten Ebene. Die Rotationsseitenwand 17 der Brennkammer 2 bildet die Fläche über dieser Ebene. Die Rotationsseitenwand 17 ist vorteilhaft als abgeschnittener Konus ausgebildet, der sich zum Boden der Brennkammer 2 erweitert und dessen Wand mit der Zylinderachse einen Winkel 14 im Bereich von 0 bis 20º bildet. An der Rotationsseitenwand beginnt die periphere Ausnehmung 4 des Bodens, die geometrisch durch eine Drehung eines ringförmigen Bogens vom Radius 11 mit dem Radius 12 um die Achse der Brennkammer 2 gebildet ist. Die zentrale Ausnehmung 3 des Bodens der Brennkammer 2 weist eine Halbkugelform auf und ist geometrisch durch eine Drehung eines kreisförmigen Bogens mit einem Durchmesser 7 um die Achse der Brennkammer gebildet zwischen der peripheren toroidalen Ausnehmung 4 und der zentralen Ausnehmung 3 im Boden der Brennkammer 2 befindet sich die ringförmige Barriere 15.
Das Volumen der zentralen Ausnehmung 3 im Boden der Kammer 2 beträgt 2 bis 10 % des Gesamtvolumens der Brennkammer. Der Abstand zwischen dem Scheitel 16 der Barriere 15 und der ebenen Oberfläche des Kolbens 1 (dem "Kolbenboden") wird als die Tiefe 9 des Barrierenscheitels bezeichnet, der Abstand des tiefsten Punkts der peripheren Ausnehmung 4 von der Kolbenoberfläche wird als größte Tiefe 10 der peripheren Ausnehmung 4 bezeichnet, und der Abstand des tiefsten Punkts der zentralen Ansnehmung 3 von der oberen Kolbenfläche 1 wird als größte Tiefe 13 dieser Ausnehmung 3 bezeichnet. Das Verhältnis zwischen der Tiefe 9 des Scheitels 16 der Barriere 15 und der größten Tiefe 10 der peripheren Ausnehmung 4 liegt im Bereich von 0,4 bis 0,7; das Verhältnis zwischen dem größten Durchmesser 7 der zentralen Ausnehmung 3 und dem größten Durchmesser 8 der peripheren Ausnehmung 4 liegt im Bereich von 0,25 bis 0,45; und das Verhältnis der größten Tiefe 13 der zentralen Ausnehmung 3 und der größten Tiefe 10 der peripheren Ausnehmung 4 liegt im Bereich von 0,85 bis 1,15.
In Fig. 1 und Fig. 2 ist auch die Position einer Heizkerze 6 für einen Mehrloch-Einspritzstrahl 5 schematisch dargestellt, der mit einer großen Exzentrizität von der Achse des Kolbens 1 in dem (nicht dargestellten) Zylinderkopf angeordnet ist und in den peripheren Teil der Brennkammer 2 eintritt.
Die Funktionsweise der selbstzündende Brennkraftmaschine mit der erfindungsgemäßen Brennkammer ist folgende:
Nach dem Einsaugen von Luft in den Zylinder folgt der Kompressionstakt, während dem die Luft in der Brennkammer 2 in einen Drehwirbel gebracht wird, der hauptsächlich von der kreisförmigen Barriere 15, und auch von der Rotationsseitenwandfläche 17 sowie dem Boden geformt wird.
Nach dem Einspritzen des Kraftstoffs durch den Mehrloch-Einspritzstrahl 5 in die wirbelnde Luftfüllung erfolgt aufgrund des geformten Wirbels und der Unterteilung des Bodens der Brennkammer in den inneren und den äußeren Teil die Erzeugung des homogenen reichen Kraftstoffgemischs in der Peripherie der Brennkammer 2 und des mageren Kraftstoffgemischs in der Mitte der Brennkammer. Nach der Zündung des Kraftstoffgemischs in der Peripherie der Brennkammer 2 wird das im wesentlichen magerere Kraftstoffgemisch aus dem zentralen Teil der Brennkammer 2, hauptsächlich aus dem Inneren der zentralen Ausnehmung 3, in den Prozeß einbezogen. Dies steuert den Verbrennungsvorgang, um den spezifischen Kraftstoffverbrauch, den Anstieg des Verbrennungsdrucks und auch Schadstoffemissionen zu verringern. Die Heizkerze 6 kann vorteilhaft in dem Peripherieteil der Brennkammer 2 angeordnet sein, wo optimale Bedingungen für die Zündung des Kraftstoffgemischs bestehen.

Claims

1. Kolben für eine Brennkraftmaschine mit Selbstzündung und direkter mehrstrahliger Kraftstoffeinspritzung, enthaltend eine Brennkammer (2) im Kolbenkopf (1), die von einer zylindrischen oder konischen Seitenwand und einem Kammerboden begrenzt wird, in welchem eine umlaufende semitoroidale Ausnehmung (4) und eine innere Ausnehmung (3) ausgebildet sind, wobei die innere Ausnehmung (3) im zentralen Teil der Brennkammer (2) angeordnet und von der peripheren Ausnehmung (4) durch eine ringförmige Barriere (15) abgetrennt ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die innere Ausnehmung (3) eine im wesentlichen halbkugelförmige Form hat,

- das Verhältnis zwischen der Tiefe (9) des oberen Endes (16) der Barriere (15) und der größten Tiefe (10) der peripheren Ausnehmung (4) in einem Bereich von 0,4 bis 0,7 liegt,

- das Verhältnis zwischen dem größen Durchmesser (7) der inneren Ausnehmung (3) und dem größten Durchmesser (8) der peripheren Ausnehmung (4) in einem Bereich von 0,25 bis 0,45 liegt und

- das Verhältnis zwischen der größten Tiefe (13) der inneren Ausnehmung (3) und der größten Tiefe (10) der peripheren Ausnehmung (4) in einem Bereich von 0,85 bis 1,15 liegt.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die periphere Ausnehmung (4) durch die Rotation eines halbkugelförmigen Bogens vom Radius 11 um die Brennkammerachse geformt ist.

3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer gegenüber der Kolbenachse um einen Abstand von größer 0,2 mal dem Brennkammerdurchmesser (8) versetzt ist.

4. Kolben nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der zentralen Ausnehmung (3) 2 - 10 % des Volumens der gesamten Brennkammer (2) beträgt.

5. Kolben nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die periphere Ausnehmung (4) gleichförmig der Seitenwand (17) der Brennkammer (2) folgt und der Winkel zwischen einer Verlängerung der geraden Seitenwand der Kammer (2) und der Brennkammerachse 0 bis 20 beträgt, wobei der Scheitel oberhalb des Kolbens (1) liegt.