DD234703C2

DD234703C2 - INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH BALLY BURN

Info

Publication number: DD234703C2
Application number: DD85273331A
Authority: DD
Inventors: Cornel Stan
Original assignee: Zschopau Motorrad Veb
Priority date: 1985-02-18
Filing date: 1985-02-18
Publication date: 1987-10-08
Also published as: DD234703A1

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit kugeligem Brennraum, der anteilig vom Zylinderkopf und vom Kolben gebildet ist; wobei beide halbkugelförmigen Brennraumteile gegeneinander versetzt angeordnet sind und eine Überdeckung dieser ausschließlich durch eine jeweils in jeder Hälfte vorgesehenen Vertiefung quer zur Zylinderachse erzielt wird und bei der die von den Quetschflächen verdrängte Ladung eine Wirbelbewegung im Brennraum ausführt.The invention relates to an internal combustion engine with spherical combustion chamber, which is formed proportionally from the cylinder head and the piston; wherein both hemispherical combustion chamber parts are arranged offset from each other and an overlap of this is achieved only by a provided in each half recess transverse to the cylinder axis and in which the displaced by the squish surfaces charge carries out a swirling motion in the combustion chamber.

Characteristic of the known solutions

Die Anwendung des Direkteinspritzverfahrens als bis jetzt wirtschaftlichste Form der Gemischbildung ist auf einen engen Drehzahlbereich begrenzt und wird meistens bei großen Motoren verwendet. Bei kleinen, schnellaufenden Motoren kommt dagegen bis jetzt fast ausnahmslos das Wirbel-bzw. Vorkammerverfahren zur Anwendung. Eine der wesentlichsten Ursachen ist im Zusammenhang mit den Problemen der Gemischbildung in einem breiten Drehzahlbereich zu sehen. Das Wirbelkammerprinzip hat hierbei den Vorteil, daß in dem geteilten Brennraum eine Drallbewegung erzeugt wird, dessen Winkelgeschwindigkeit höher als die Winkelgeschwindigkeit des Kurbeltriebes liegt. Dadurch kann eine Luftbewegung erzeugt werden, deren Geschwindigkeit in jedem Punkt des Drehzahlbereiches ausreichend ist, um eine gute Zerstäubung des Kraftstoffes bzw. eine gute Gemischbildung zu erzielen. Während der Kompression erfolgt ein Übergang der Luft vom Hauptbrennraum zur Vor- bzw. Wirbelkammer durch die Schußkanäle. Nachteilig ist dabei, daß die von großen Geschwindigkeiten gekennzeichnete Bewegung durch den Schußkanal beträchtliche gasdynamische Verluste verursacht. Andererseits ist während der Verbrennung und Expansion der Gase auf der Fläche einer Wirbelkammer ein höherer Wärmetausch als im Falle des Direkteinspritzverfahrens zu verzeichnen, was höhere thermische Verluste verursacht. Ein optimaler Vorgang setzt voraus, daß der Luftdrall nur für die Dauer der Gemischbildung erzeugt werden kann. Nach DE-PS 2233962 ist eine Brennkraftmaschine mit kugeligem Brennraum bekannt, bei der der Brennraum anteilig vom Zylinderkopf und vom Kolben gebildet wird. Die beiden halbkugelförmigen Brennraumteile sind gegeneinander versetzt angeordnet. Durch den Versatz der beiden Brennraumteile laufen die Quetschflächen in mehr oder weniger sichelförmige Rampen aus, die die Ladung in die jeweilige Halbkugel lenken. Die sichelförmigen Rampen sollen sich günstig auf den Verlauf des Spülstroms und auf eine intensivere Verwirbelung der Ladung auswirken. Bei dieser Ausführung wird der Luftdrall auch nur für die Dauer der Gemischbildung erzeugt. Nachteilig wirkt sich bei dieser Ausbildung und Anordnung aus, daß die durch diesen Versatz erreichte Verengung zwischen den zwei Brennraumteilen im Verhältnis zu dem Schußkanal einer Wirbelkammer nur unbedeutsam ist. Die im Brennraum erzeugte Drallbewegung ist stark von dem Maße dieser Verengung abhängig. Die Verengung bewirkt eine Erhöhung der Wirbelzahl, die für Dirselmotoren unwesentlich ist bzw. für derartige Motoren mit einem breiten Drehzahlbereich praktisch keine Vorteile gegenüber ungeteilten Brennräumen aufweist. Nach DE-PS 1180191 ist eine weitere Brennkraftmaschine bekannt, bei der sich die beiden im Zylinderkopf bzw. Kolben befindlichen kugelförmigen Brennraumteile am Ende eines Verdichtungshubes nur um einen geringen Betrag überlappen. Die somit erreichte Verengung ist mit dem Querschnitt eines Schußkanals einer Wirbelkammer vergleich bar, wobei jedoch nur eine eingeschnürte Überlappungsfläche erzielt wird. Somit ist eine zielgerichtete, in die Brennraumkugel tangential verlaufende Geschwindigkeit der'einströmenden Luftmasse nicht zu erreichen. Die Überlappungsfläche bewirkt vielmehr ein Einströmen der Luftmasse in die Brennkammer mit einem bestimmten Ausbreitungswinkel. Die Reflektion verschiedener Geschwindigkeitskomponenten an der Wand der Brennraumkugel führt zu einer Interferenz mit der tangentialen Komponente. Es kommt zu lokalen Stauungen, welche die Gemischbildung beeinträchtigen.The application of the direct injection method as the hitherto most economical form of mixture formation is limited to a narrow speed range and is mostly used in large engines. For small, high-speed engines, however, comes almost without exception, the vortex or. Pre-chamber method for use. One of the most important causes is related to the problems of mixture formation in a wide speed range. The vortex chamber principle has the advantage that in the divided combustion chamber, a swirling motion is generated whose angular velocity is higher than the angular velocity of the crank mechanism. As a result, an air movement can be generated whose speed is sufficient at any point of the speed range to achieve a good atomization of the fuel or a good mixture formation. During compression, a transition of the air from the main combustion chamber to the vortex or vortex chamber through the weft channels. A disadvantage is that the movement characterized by high speeds caused by the shot channel considerable gas dynamic losses. On the other hand, during the combustion and expansion of the gases on the surface of a swirl chamber, there is a higher heat exchange than in the case of the direct injection method, which causes higher thermal losses. An optimal process assumes that the air swirl can only be generated for the duration of the mixture formation. According to DE-PS 2233962 an internal combustion engine with a spherical combustion chamber is known, in which the combustion chamber is formed proportionately from the cylinder head and the piston. The two hemispherical combustion chamber parts are arranged offset from one another. Due to the offset of the two combustion chamber parts of the Quetschflächen run into more or less crescent-shaped ramps that direct the charge in each hemisphere. The crescent-shaped ramps should have a favorable effect on the course of the purge flow and on a more intensive turbulence of the charge. In this embodiment, the air swirl is generated only for the duration of the mixture formation. The disadvantage of this design and arrangement is that the constriction achieved by this offset between the two combustion chamber parts in relation to the weft channel of a vortex chamber is only insignificant. The swirling motion generated in the combustion chamber is highly dependent on the extent of this constriction. The constriction causes an increase in the number of vertebrae, which is insignificant for Dirselmotoren or has practically no advantages over undivided combustion chambers for such engines with a wide speed range. According to DE-PS 1180191 a further internal combustion engine is known, in which the two located in the cylinder head or piston spherical combustion chamber parts overlap only by a small amount at the end of a compression stroke. The constriction thus achieved is compared with the cross section of a shot channel of a vortex chamber bar, however, only a constricted overlap surface is achieved. Thus, a targeted, in the combustion chamber ball tangential speed der'einströmenden air mass can not be achieved. Rather, the overlap surface causes the air mass to flow into the combustion chamber at a specific propagation angle. The reflection of different velocity components on the wall of the combustion chamber sphere leads to an interference with the tangential component. It comes to local congestion, which affect the mixture formation.

Bei einer weiteren Variante weist der Mündungsabschnitt der kugelförmigen Kammer eine schlitzförmige Erweiterung auf, die sich im wesentlichen parallel zur Zylinderachse erstreckt und ganz oder teilweise den Überdeckungsbereich der betreffenden Kammer bildet. Dadurch entsteht zwischen den Kammern ein Kanal, dessen Querschnitt dem eines Schußkanals entspricht, dessen Länge aber wesentlich kleiner ist. Eine in die Brennraumkugel tangential verlaufende Geschwindigkeit ist in Anbetracht dieser Länge nicht für die ganze einströmende Luftmasse gewährt.In a further variant, the mouth portion of the spherical chamber has a slot-shaped extension which extends substantially parallel to the cylinder axis and forms all or part of the covering area of the respective chamber. This creates between the chambers a channel whose cross section corresponds to that of a shot channel, but whose length is much smaller. A tangential speed in the combustion chamber ball is not granted in view of this length for the entire inflowing air mass.

Da dieser Kanal sich parallel zur Zylinderachse, d.h. rechtwinklig zu der Quetschspalte zwischen Kolben und Zylinder erstreckt, strömt die Luft, die aus der Quetschspalte in die beiden Brennraumkugeln verdrängt wird, zum Teil über eine rechtwinklige Umlenkung durch den Kanal tangent und zum Teil direkt in die Kammer ein, wodurch keine Drallbewegung zustande kommt. Nachteilig wirkt sich weiter aus, daß die Einspritzdüse direkt über den von den Kammern gebildeten Kanal gerichtet ist, so daßSince this channel is parallel to the cylinder axis, i. extends at right angles to the nip between the piston and cylinder, the air, which is displaced from the nip in the two combustion chamber balls, flows partly through a right-angled deflection through the channel tangent and partly directly into the chamber, whereby no twisting motion is established. Another disadvantage is that the injection nozzle is directed directly over the channel formed by the chambers, so that

der Kraftstoff zum Teil gegen die Luftströmung eingespritzt wird. Ein weiterer Nachteil dieser Ausführung ist, daß die Umlenkung durch den Kanal für die Luftströmung während der Kompression mit Druckverlusten und für den Brennstoffstrahl während der Verbrennung und Expansion mit Wärmeverlusten verbunden ist. Außerdem ist die Ausbildung der kugeligen Brennräume _wesentlich aufwendiger als die Bearbeitung der halbkugelförmigen Brennräume.the fuel is partly injected against the air flow. Another disadvantage of this embodiment is that the deflection through the duct for the air flow during compression is associated with pressure losses and for the fuel jet during combustion and expansion with heat losses. In addition, the formation of the spherical combustion chambers is _ substantially more expensive than the processing of the hemispherical combustion chambers.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, mit konstruktiv einfachen Mitteln einen Gemischbildungsvorgang zu erreichen, der die Vorteile des Wirbelkammerverfahrens hinsichtlich der Anwendung in einem breiten Drehzahlbereich mit den Vorteilen der Direkteinspritzung hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit verbindet.The aim of the invention is to achieve a mixture formation process with structurally simple means, which combines the advantages of the swirl chamber method with regard to the application in a wide speed range with the advantages of direct injection in terms of economy.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Art eine geeignete Brennraumform und Brennraumanordnung zu schaffen, die eine gute Gemischbildung und geregelte Verbrennung gestattet und eine einfache Konstruktion und Bearbeitung ermöglicht. Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß sich die beiden Brennraumteile nicht überdecken und an den sich angrenzenden Seiten je eine Vertiefung aufweisen, die in der oberen Totpunktstellung einen quer zur Zylinderachse erstreckenden Verbindungskanal zwischen den beiden Brennraumteilen bilden, welcher in seiner Länge bzw. seinem Querschnitt einem Schußkanal einer Wirbelkammer ähnlich ist. Die jeweiligen Vertiefungen in den Brennraumteilen verlaufen tangential von der Halbkugel des Brennraumteils beginnend bis zu der Kante des angrenzenden Brennraumteils, wobei die Übergangswinkel zwischen einer Vertiefung und der jeweiligen Kante in einem strömungsgünstigen Bereich liegen. In den den beiden Brennraumteilen gegenüberliegenden Seiten im Kolben und Zylinderkopf sind je eine kugelsektorförmige Ausnehmung vorgesehen. Der Übergangswinkel zwischen einer Vertiefung und der jeweiligen Kante ist abgerundet. Die halbkugelförmigen Brennraumteile weisen gleiche oder unterschiedliche Radien auf. Der durch die beiden halbkugelförmigen Brennraumteile imKolben und Zylinderkopf gebildete Brennraum entspricht in seiner Abmessung der Wirbelkammer eines üblichen Motors. Die Einspritzdüse ist in dem im Zylinderkopf angeordneten Brennraumteil in Richtung der Luftströmung orientiert. Durch die Erfindung wird eine gute Gemischbildung und geregelte Verbrennung in einem breiten Drehzahlbereich erzielt. Die einfache Brennraumgestaltung und Anordnung ermöglicht eine unkomplizierte Bearbeitung des Brennraums.The invention has for its object to provide for an internal combustion engine of the type described above a suitable combustion chamber shape and combustion chamber arrangement, which allows a good mixture formation and controlled combustion and allows easy construction and processing. The essence of the invention is that the two combustion chamber parts do not overlap and each have an indentation on the adjoining sides, which in the upper dead center position form a connecting channel extending transversely to the cylinder axis between the two combustion chamber parts, which in its length or its cross section a shot channel of a vortex chamber is similar. The respective depressions in the combustion chamber parts extend tangentially from the hemisphere of the combustion chamber part beginning to the edge of the adjacent combustion chamber part, wherein the transition angles between a depression and the respective edge lie in a flow-favorable region. In the two combustion chamber parts opposite sides in the piston and cylinder head each have a spherical sector-shaped recess are provided. The transition angle between a recess and the respective edge is rounded. The hemispherical combustion chamber parts have the same or different radii. The combustion chamber formed by the two hemispherical combustion chamber parts in the piston and cylinder head corresponds in size to the swirl chamber of a conventional engine. The injection nozzle is oriented in the cylinder head arranged in the combustion chamber part in the direction of air flow. The invention achieves good mixture formation and controlled combustion in a wide speed range. The simple combustion chamber design and arrangement enables uncomplicated processing of the combustion chamber.

Ausführungsbeispiel der ErfindungEmbodiment of the invention

An einem Ausführungsbeispiel soll die Erfindung nachstehend erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen: Fig. 1 — einen Längsschnitt eines Zylinders mit Zylinderkopf und Kolben einer Brennkraftmaschine, Fig. 2 — einen Schnitt l-l nach Fig. 1.In one embodiment, the invention will be explained below. 1 shows a longitudinal section of a cylinder with cylinder head and piston of an internal combustion engine, FIG. 2 shows a section I-1 according to FIG. 1.

Die Brennkraftmaschine besteht aus einem Zylinder 1 mit einem Kolben 2, einem Zylinderkopf 3 und einem in der Zeichnung nicht dargestellten Kurbeltrieb. Der Brennraum wird durch zwei im Kolben 2 und Zylinderkopf 3 halbkugelförmig ausgebildete Brennraumteile 4, 5 gebildet. Die Halbkugeln der beiden Brennraumteile 4, 5 können gleiche oder unterschiedliche Radien aufweisen. In den den beiden Brennraumteilen 4,5 gegenüberliegenden Seiten im Kolben 2 und Zylinderkopf 3 sind je eine Ausnehmung 8,9 vorgesehen. Die beiden Brennraumteile 4,5 sind so gegeneinander versetzt angeordnet, daß sie sich nicht überdecken. An den sich angrenzenden Seiten der Brennraumteile 4,5 ist je eine Vertiefung 6,7 vorgesehen, die in der oberen Totpunktstellung einen Verbindungskanal zwischen den beiden Brennraumteilen 4,5 bilden. Die Vertiefungen 6,7 verlaufen tangential von den Halbkugeki der Brennraumteile 4,5 beginnend bis zu den Kanten 10,11 der angrenzenden Brennraumteile 4, 5. Der Winkel jeder Vertiefung 6,7, welcher von der Versetzung und den Radien der halbkugelförmigen Brennraumteile 4,5 abhängig ist, ist so gewählt, daß eine relativ kleine Umlenkung von der Quetschspalte zu je einem Brennraumteil 4,5 resultiert. Weiterhin werden die Übergangswinkel von der Kolben- bzw. Zylinderkopffläche zu der jeweiligen Vertiefung unter einem bestimmten Radius abgerundet. Dadurch wird ein strömungsgünstiger Übergang für den Luft- bzw. Brennstoffstrahl gewährt. Die Einspritzdüse 12 ist im Brennraumteil 4 so angeordnet, daß der Einspritzstrahl in Richtung der Luftbewegung gerichtet ist so wie bei den herkömmlichen Wirbelkammern. Bei der Bewegung des Kolbens 2 vom unteren nach dem oberen Totpunkt sind die Flächen des Kolbens 2 und des Zylinderkopfes 3 in einer solchen Entfernung voneinander, daß die beiden halbkugeligen Brennraumteile 4, 5 keinen Einfluß auf die Luftbewegung haben und diese wie bei Direkteinspritz-Brennkraftmaschinen wirkt. Erst kurz vor dem oberen Totpunkt, wo ein Quetschspalt zwischen dem Kolben 2 und dem Zylinderkopf 3 entsteht, stellen die beiden Vertiefungen 6,7 in den Brennraumteilen 4, 5 einen Verbindungskanal für die Luftbewegung dar. Durch die Position und Abmessung wirkt der Verbindungskanal zwischen den beiden Brennraumteilen 4, 5 wie ein Schußkanal in einer Wirbelkammer. Durch die im Zylinderkopf 3 und Kolben 2 den Brennraumteilen 4, 5 gegenüberliegenden Ausnehmungen 8,9 wird die somit erzeugte Rotation der Luft noch unterstützt. Nach der Zündung erfolgt der Austritt des Brennstrahls nur so lange durch den Verbindungskanal, bis der Spalt zwischen dem Kolben 2 und dem Zylinderkopf 3 infolge der Bewegung des Kurbeltriebes das kleinste Spaltmaß überschritten hat. Somit sinkt auch die Wirbelintensität schlagartig, wodurch die Wärmeverluste durch Wärmeübergang an die Wände verkleinert werden. Die Brennraumausführung ist für Zweitakt- und Viertakt-Brennkraftmaschinen mit Selbstzündung und Fremdzündung anwendbar.The internal combustion engine consists of a cylinder 1 with a piston 2, a cylinder head 3 and a crank mechanism, not shown in the drawing. The combustion chamber is formed by two in the piston 2 and cylinder head 3 hemispherical-shaped combustion chamber parts 4, 5. The hemispheres of the two combustion chamber parts 4, 5 may have the same or different radii. In the two combustion chamber parts 4.5 opposite sides in the piston 2 and cylinder head 3 are each a recess 8.9 are provided. The two combustion chamber parts 4, 5 are arranged offset from one another such that they do not overlap. At the adjoining sides of the combustion chamber parts 4.5 each have a recess 6.7 is provided, which form a connecting channel between the two combustion chamber parts 4.5 in the top dead center position. The recesses 6, 7 extend tangentially from the hemisphere of the combustion chamber parts 4, 5 beginning as far as the edges 10, 11 of the adjoining combustion chamber parts 4, 5. The angle of each recess 6, 7, which depends on the offset and the radii of the hemispherical combustion chamber parts 4, 5 is dependent, is chosen so that a relatively small deflection of the crimp results in each case to a combustion chamber part 4.5. Furthermore, the transition angles are rounded off from the piston or cylinder head surface to the respective recess under a certain radius. This ensures a streamlined transition for the air or fuel jet. The injection nozzle 12 is arranged in the combustion chamber part 4 so that the injection jet is directed in the direction of air movement as in the conventional vortex chambers. During the movement of the piston 2 from the bottom to the top dead center, the surfaces of the piston 2 and the cylinder head 3 are at such a distance from each other that the two hemispherical combustion chamber parts 4, 5 have no influence on the air movement and this acts as in direct injection internal combustion engines , Only shortly before the top dead center, where a nip between the piston 2 and the cylinder head 3 is formed, the two recesses 6.7 in the combustion chamber parts 4, 5 is a connecting channel for the air movement. By the position and dimension of the connecting channel between the acts both combustion chamber parts 4, 5 as a shot channel in a vortex chamber. By in the cylinder head 3 and piston 2 the combustion chamber parts 4, 5 opposite recesses 8.9, the thus generated rotation of the air is still supported. After ignition, the exit of the combustion jet takes place only through the connecting channel until the gap between the piston 2 and the cylinder head 3 has exceeded the smallest gap due to the movement of the crank mechanism. Thus, the vortex intensity drops abruptly, whereby the heat losses are reduced by heat transfer to the walls. The combustion chamber design is applicable for two-stroke and four-stroke internal combustion engines with compression ignition and spark ignition.

Claims

Invention claim:

1. internal combustion engine with spherical combustion chamber, which is formed proportionately from the cylinder head and the piston, both hemispherical combustion chamber parts are offset from each other and an overlap of this only by a respective half provided in each recess is achieved transversely to the cylinder axis and at the of the Quetschflächen displaced charge performs a swirling motion in the combustion chamber, characterized in that the two combustion chamber parts (4,5) do not overlap and on the adjacent sides each have a recess (6,7), which in the top dead center position extending transversely to the cylinder axis connecting channel between the two, combustion chamber parts (4, 5) form, which is similar in its length or its cross section a shot channel of a vortex chamber.

2. Internal combustion engine according to item 1, characterized in that the respective recesses (6,7) tangentially from the hemisphere of the combustion chamber parts (4, 5) starting up to the edges (10,11) of the adjacent combustion chamber parts (4, 5), wherein the transition angles between a recess (6,7) and the respective edge (10,11) lie in a flow-favorable area.

3. Internal combustion engine according to the points 1 and 2, characterized in that the transition angle between a recess (6,7) and the respective edge (10,11) is rounded.

4. Internal combustion engine according to points 1 to 3, characterized in that the hemispherical combustion chamber parts (4, 5) have the same or different radii.

5. Internal combustion engine according to points 1 to 4, characterized in that in the two combustion chamber parts (4, 5) opposite sides in the piston (2) and cylinder head (3) each have a spherical sector-shaped recess (8,9) is provided.

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