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Dokumentenidentifikation DE3314662C2 19.05.1993
Titel Brennraum für eine selbstzündende Einspritzbrennkraftmaschine
Anmelder Volkswagen AG, 3180 Wolfsburg, DE
Erfinder Kurpiers, Werner, Dipl.-Ing.;
Schwarz, Cornelia, 3180 Wolfsburg, DE
DE-Anmeldedatum 22.04.1983
DE-Aktenzeichen 3314662
Offenlegungstag 25.10.1984
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 19.05.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.05.1993
IPC-Hauptklasse F02B 19/08
IPC-Nebenklasse F02B 23/06   

Beschreibung[de]

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

Derartige Brennraumgestaltungen sind von Wirbelkammer-Dieselmotoren her bekannt (z. B. DE-OS 28 43 343). Bei diesen Brennkraftmaschinen 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 zwischen 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 dadurch kann eine weitgehende Verbrennung der gesamten Zylinderladung zur Erreichung eines hohen Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine bei möglichst geringer Rußbildung sichergestellt werden.

Besonders bei Dieselmotoren mit kleinem Hubraum bestehen nun Schwierigkeiten, das für die Selbstzündung und vor allem ein sicheres Starten 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 Fertigung auftretenden Toleranzen weitgehend festgelegt. Auch die Tiefe der Ventiltaschen ist durch die Forderung, in jedem Fall Ventilaufsetzer zu vermeiden, bestimmt und kaum mehr veränderbar, so daß dadurch ein wesentlicher Teil des Volumens der ersten Brennkammer festgelegt ist. Darüberhinaus muß danach getrachtet werden, einen möglichst großen Teil des gesamten Brennraumvolumens in der Wirbelkammer zu konzentrieren, 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 Wirbelkammer-Dieselmotor ist nun brillenförmig ausgebildet und besteht aus zwei miteinander verbundenen, symmetrisch zu einem in der Ebene des Verbindungskanals liegenden Kolbendurchmesser angeordneten, kreisförmigen Ausnehmungen sowie aus einer dem Verbindungskanal gegenüberliegenden, 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 erforderlich 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 Ventilteller anzuordnen und als Ventiltaschen zu verwenden, in die der Flammenstrahl über eine diametral in dem Kolbenboden liegende Anströmrinne geführt wird. Diese Ausbildung ist jedoch insofern nachteilig, als zum einen die Fertigung einer solchen brillenförmigen Kolbenmulde relativ aufwendig ist und zum anderen der Verzweigungspunkt für den Zündstrahl, an dem jeweils etwa die Hälfte des Massenstroms zu den beiden kreisförmigen Aussparungen umgelenkt wird, gerade unterhalb der engsten Stelle des zwischen den beiden Ventiltaschen liegenden Ventilstegbereiches angeordnet ist. Diese Verzweigungsstelle wird nämlich durch den direkt auftreffenden Feuerstrahl thermisch besonders hoch belastet, weshalb deren Anordnung gerade an der engsten Stelle des Ventilstegbereiches, der besonders bei kleinen Motoren aufgrund des an dieser Stelle fehlenden Kühlmantels schlecht gekühlt werden kann, besonders ungünstig ist. Schließlich erfordert die symmetrische Ausbildung der Kolbenmulde zumindest dann überflüssig viel Brennraumvolumen, wenn die beiden Ventile unterschiedlich groß sind.

Die Viertakteinspritzbrennkraftmaschine nach der gattungbildenden 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 Einmündungsstellen Stolperkanten zwecks Erzeugung einer Wirbelbildung im zuströmenden Gasstrom vorgesehen sind. Abgesehen von einer schwierigen Herstellung einer derart gestalteten Kolbenmulde besitzt diese bekannte Konstruktion den Nachteil, daß infolge Vorhandenseins eines Verbindungskanals zwischen den beiden Ventiltaschen 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 kreisringscheibenförmiger Ausnehmungen mit ansteigendem Höhenprofil, die in entgegengesetztem Drehsinn von den aus dem Verbindungskanal austretenden Gasen beaufschlagt werden. Hier werden also nicht die ohnehin vorhandenen Ventiltaschen zur Bildung der ersten Brennkammer ausgenutzt, so daß die aufwendige Ausbildung der Kolbenmulde bei diesem Stand der Technik ein unerwünschtes zusätzliches Volumen der ersten Brennkammer bedeutet.

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

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1. Da die Kolbenmulde erfindungsgemäß als einfache, sich lediglich zu zwei Ästen verzweigende flache Rinne ausgebildet 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 Ventilstegbereiches 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 dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Brennraum einer selbstzündenden Einspritzbrennkraftmaschine 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 Einspritzbrennkraftmaschine (Dieselmotor) gezeigt, in dem ein Kolben 2 oszillierend gleitet. Mit 3 ist der Zylinderkopf angegeben, der zusammen mit dem Kolben in dessen oberen Totpunkt eine erste Brennkammer 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 Zylinderkopf 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 wesentlicher 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 angeordnete Ventiltasche 11 gezeigt ist. 16 stellt schließlich noch den scheibenförmigen Spaltraum dar, der zwischen der Kolbenstirnfläche und der Unterseite des Zylinderkopfes in der oberen Totpunktstellung 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 Einlaßventil 13 sowie ein von dem Einlaßventil 13 gesteuerter Einlaßkanal 15 angedeutet.

In der Fig. 2 sind neben dem Kolben 2 mit strichpunktierten Linien auch der Vorkammereinsatz 5 mit der Austrittsöffnung 7a des Verbindungskanals 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 Kolbenmulde 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 Drehbewegung 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 entfernt, so daß eine thermische Entlastung dieses besonders gefährdeten Bereiches erreicht wird. Der aus dem Verbindungskanal 7 in die Kolbenmulde 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 Ventilstegbereiches liegt, diesen Bereich in extremem Maße gefährden, da gerade bei kleineren Motoren diese engste Stelle des Ventilstegbereiches nicht genügend Raum für einen Kühlwassermantel bietet. Erst in einigem Abstand von dieser engsten Stelle 17 kann der im Zylinderkopf angeordnete Kühlwassermantel die auftretende Wärme in ausreichendem Maße abführen.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Kolbenmulde 8 als flache relativ geradlinige und sich lediglich an ihrem der Kolbenmitte zugewandten Ende zu zwei Ästen verzweigende Rinne wird zum einen eine relativ einfach herzustellende Form geschaffen, die darüberhinaus bei geringstmöglichem Volumenaufwand eine optimale Verteilfunktion 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 Möglichkeit zu, das Gesamtvolumen des Brennraums klein und damit die Verdichtungsverhältnisse hoch zu halten, sowie einen prozentual sehr hohen Anteil des Brennraumvolumens in der Wirbelkammer zu konzentrieren, was ebenfalls den Verbrennungswirkungsgrad eines Wirbelkammer-Dieselmotors verbessert. Schließlich ist die erfindungsgemäße Kolbenmulde auch hinsichtlich der thermischen Belastung des Kolbens und des Zylinderkopfes, insbesondere des Ventilstegbereiches, außerordentlich günstig.


Anspruch[de]
  1. 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 sowie einer in den Kolbenboden eingearbeiteten Rinne besteht, die von einer dem Verbindungskanal im wesentlichen gegenüberliegenden Stelle ausgeht und sich in zwei in die Ventiltaschen 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. 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. 3. Brennraum nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Äste (9, 10) zur Aufnahme von im wesentlichen jeweils der Hälfte des aus dem Verbindungskanal (7) austretenden Massenstroms ausgebildet sind.
  4. 4. Brennraum nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rinne (8) an ihren Endbereichen flach ausläuft.






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