DE1266564B

DE1266564B - Method for operating an internal combustion engine with external ignition and internal combustion engine operating according to this method

Info

Publication number: DE1266564B
Application number: DED43200A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Dietrich Gwinner; Dr-Ing Josef Reisacher; Odilo Schwaiger
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1963-12-18
Filing date: 1963-12-18
Publication date: 1968-04-18

Description

Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Fremdzündung und nach diesem Verfahren arbeitende Brennkraftmaschine Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Fremdzündung, bei der das angesaugte Frischgemisch bzw. die angesaugte Luft beim Ansaughub in eine. rotierende Bewegung um die Zylinderachse versetzt und durch diesen auch während des größten Teils des Verdichtungshubes aufrechterhaltenen Drall eine Schichtung des Zylinderinhalts erzielt wird. Die Erfindung betrifft ferner die Ausgestaltung einer nach diesem Verfahren arbeitenden Brennkraftmaschine, insbesondere für Kraftfahrzeuge.Method for operating an internal combustion engine with spark ignition and Internal combustion engine operating according to this method The invention relates to a method for operating an internal combustion engine with spark ignition, in which the fresh mixture drawn in or the air drawn in during the intake stroke into a. rotating movement around the cylinder axis offset and maintained by this during most of the compression stroke Twist stratification of the cylinder content is achieved. The invention also relates to the design of an internal combustion engine operating according to this method, in particular for automobiles.

Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit wird bei Otto-Motoren eine möglichst hohe Verdichtung angestrebt. Allein vom Verbrauch her wären Werte zwischen 1: 14 und 1: 16 optimal. Der Erhöhung der Verdichtung steht aber die Selbstzündung des Kraftstoffes, in diesem Fall die von Benzin-Luft-Gemischen, entgegen. Dieses sogenannte Zündungsklopfen tritt dann ein, wenn die Zündverzugszeit besonders klein wird; so daß zu frühe Selbstzündung oder bzw. und Selbstzündung an mehreren Stellen des Verbrennungsraumes auftritt.For reasons of economy, one is preferred for Otto engines aimed at high compression. In terms of consumption alone, values would be between 1:14 and 1:16 optimal. However, the increase in compression is accompanied by the self-ignition of the Fuel, in this case that of a gasoline-air mixture. This so-called Ignition knock occurs when the ignition delay time is particularly short; so that too early self-ignition and / or and self-ignition at several points in the combustion chamber occurs.

Durch die USA.-Patentschrift 1691182 ist eine Brennkraftmaschine der eingangs geschilderten Art bekanntgeworden. Bei dieser ist der Kolbenboden zentralsymmetrisch nach oben gewölbt, so daß ein im wesentlichen ringförmiger Verbrennungsraum ent= steht, in welchem das mehr oder weniger geschichtete Gemisch kreist. Diese Schichtung. ist aber keineswegs ausreichend, vor allem deswegen nicht, weil sich dort das Restgas viel zu sehr mit dem Frischgemisch bzw. der angesaugten Luft mischen muß. , Die Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe, diese Nachteile zu beheben und ein Verfahren sowie eine Brennkraftmaschine zu entwickeln, mit dem bzw. mit der sich hohe Verdichtungsverhältnisse erzielen lassen. Ferner sollen dabei hohe mittlere Kolbengeschwindigkeiten und eine gute Zylinderfüllung erreicht werden. Die Erfindung geht dabei von dem Gedanken aus, daß die Zündverzugszeit in erster Linie eine Funktion der Verdichtungsendtemperatur und erst in zweiter Linie eine Funktion des Druckes und des Mischungsverhältnisses ist.An internal combustion engine of the type described at the beginning has become known through the USA patent specification 1691182. In this case, the piston crown is curved upwardly symmetrically in the center, so that an essentially ring-shaped combustion chamber is created in which the more or less stratified mixture circles. This layering. is by no means sufficient, especially because the residual gas has to mix too much with the fresh mixture or the sucked in air. The invention is concerned with the task of eliminating these disadvantages and developing a method and an internal combustion engine with which high compression ratios can be achieved. Furthermore, high mean piston speeds and good cylinder filling should be achieved. The invention is based on the idea that the ignition delay time is primarily a function of the compression end temperature and only secondarily a function of the pressure and the mixing ratio.

Die Erfindung schlägt nun im einzelnen ein Verfahren vor, wobei das durch den Drall vom Frischgemisch bzw. von der Luft getrennte und sich in der Nähe der Zylinderachse sammelnde Restgas gegen Ende des Verdichtungshubes in einem Raum etwa in Form einer an sich bekannten zentralen Vertiefung im Kolbenboden eingebracht wird, während das Frischgemisch bzw. die Luft in einen oder mehrere außermittig angeordnete Verbrennungsräume verdrängt wird, der bzw. die durch eine den Restgasraum radial umgebende Wandung von diesem bei oberer Totpunktlage des Kolbens im wesentlichen getrennt sind.The invention now proposes a method in detail, wherein the separated by the swirl from the fresh mixture or from the air and close to each other the cylinder axis collecting residual gas towards the end of the compression stroke in a room introduced in the form of a known central depression in the piston crown is, while the fresh mixture or the air in one or more eccentric arranged combustion chambers is displaced by the residual gas chamber radially surrounding wall of this essentially at the top dead center position of the piston are separated.

Die deutsche Patentschrift 1008 524 zeigt zwar einen durch Kolbenquerwände geteilten Verbrennungsraum. Jedoch handelt es sich dort um eine Brennkraftmaschine, die nicht mit Drall arbeitet, und ferner ohnehin noch um ein ganz anderes Problem, nämlich die Kühlhaltung des Brennraumes. Dort werden Restgas und Frischgemisch bzw. Luft nicht voneinander getrennt, selbst dann nicht, wenn ein Drall vorhanden wäre.The German patent specification 1008 524 shows a combustion chamber divided by piston transverse walls. However, there is an internal combustion engine that does not work with swirl, and also a completely different problem anyway, namely keeping the combustion chamber cool. There, residual gas and fresh mixture or air are not separated from one another, even if there was a swirl.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Verdichtungs-Endtemperatur des Kraftstoff-Luft-Gemisches erheblich, d. h. in der Praxis etwa bis zu 200° C, herabgesetzt werden. Damit steigt die Zündverzugszeit an bzw. man kann, um die gleiche gerade noch tragbare Zündverzugszeit zu erreichen, höhere Verdichtungen anwenden. Dies liegt daran, daß infolge der Trennung von Restgas und Frischgemisch bzw. Luft das letztere eine niedrigere Temperatur am Anfang der Verdichtung aufweist. Weiter wird durch die am Ende der Verdichtung aufrechterhaltene Trennung verhindert, daß etwa beim Beginn der Verbrennung durch die beginnende Druckwelle Frischgemischteile in den heißen Restgaskern geschleudert werden und dadurch wiederum Zündung an mehreren Stellen eintritt.With the method according to the invention, the final compression temperature the fuel-air mixture significantly, d. H. in practice up to 200 ° C, be reduced. This increases the ignition delay time or the same can be achieved To achieve a just acceptable ignition delay time, use higher compressions. This is due to the fact that as a result of the separation of residual gas and fresh mixture or air the latter has a lower temperature at the beginning of compaction. Further is prevented by the separation maintained at the end of compaction around the beginning of the combustion due to the beginning pressure wave of fresh mixture parts be thrown into the hot residual gas core and thereby in turn ignition on several Places occurs.

Außerdem wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gegen Ende des Verdichtungshubes vorteilhafterweise in den Brennräumen der Drall in eine Verwirbelung übergeführt. Dadurch erfolgt in diesem eine sehr gute Vermischung, so daß sich eine gleichmäßige und ruhige Verbrennung ergibt. Für diese am Ende der Verdichtung nur innerhalb der Brennräume einsetzende Verwirbelung ist es im Prinzip gleichgültig, ob das Frischgemisch durch einen Vergaser oder durch Einspritzung erzeugt wird. Letzteres wird allerdings für zweckmäßig gehalten, und es wird hierfür vorgeschlagen, den Kraftstoff in den Zylinder, d. h. in die Verbrennungsräume, direkt einzuspritzen, und zwar während des Ansaug- oder Verdichtungshubes.In addition, in the method according to the invention, towards the end of the compression stroke advantageously, the swirl is converted into turbulence in the combustion chambers. This results in a very good mixing in this, so that a uniform and results in quiet combustion. For this, at the end of compression, only within the combustion chambers the onset of turbulence, it is in principle indifferent whether the fresh mixture is through a carburetor or by injection. The latter is however for appropriately held, and it is proposed for this purpose, the fuel in the cylinder, d. H. to be injected directly into the combustion chambers, during the intake or compression stroke.

Eine nach dem vorgeschlagenen Verfahren arbeitende Brennkraftmaschine mit zwei hängenden Ventilen, deren Teller zumindest teilweise außerhalb der Zylinderkontur liegen, kennzeichnet sich dadurch, daß im Bereich eines oder jedes Ventils ein etwa sichelförmiger Verbrennungsraum angeordnet ist, wobei die Außenkonturen des bzw. der Verbrennungsräume und des Zylinders im Querschnitt sich einem diese Konturen umhüllenden gedachten Oval möglichst eng anpassen. Die Anordnung erfolgt im großen und ganzen etwa symmetrisch zu einer die Zylinderachse enthaltenden Ebene. Dadurch werden große Ventilquerschnitte möglich, so daß eine gute Füllung erreicht wird.An internal combustion engine operating according to the proposed method with two hanging valves, the plates of which are at least partially outside the cylinder contour are characterized by the fact that in the area of one or each valve an approximately sickle-shaped combustion chamber is arranged, the outer contours of the or The cross-section of the combustion chambers and the cylinder has these contours adjust the enveloping imaginary oval as closely as possible. The arrangement is made on a large scale and the whole approximately symmetrical to a plane containing the cylinder axis. Through this large valve cross-sections are possible, so that a good filling is achieved.

Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird jeder Verbrennungsraum teils durch Aussparungen im Zylinderblock und teils durch Ausnehmungen im Kolbenboden gebildet. Das Einlaßventil ist dabei nach einem weiteren Erfindungsmerkmal gegenüber dem Schwerpunkt des unter ihm liegenden Verbrennungsraumes entgegen der Drallrichung der einströmenden Luft bzw. des Gemisches versetzt. Auf diese Weise wird die Entstehung des Dralls gefördert. Dabei ist es denkbar, dem Einlaßventil einen größeren Querschnitt zu geben als dem Auslaßventil. Bei schräghängenden Ventilen kann sinngemäß dieselbe Ausbildung gewählt werden.In one embodiment of the internal combustion engine according to the invention Each combustion chamber is partly and partly through recesses in the cylinder block formed by recesses in the piston crown. The inlet valve is after a Another feature of the invention compared to the focus of the combustion chamber below it offset against the direction of swirl of the inflowing air or the mixture. on in this way the development of the twist is encouraged. It is conceivable that the To give the inlet valve a larger cross-section than the outlet valve. With sloping Valves can be chosen accordingly the same training.

Die Größe der zentrischen Vertiefung im Kolbenboden, d. h. also Radius und/oder Tiefe, ist von der Größe des Restgasanteils abhängig. Letzterer kann durch Ausnutzung von Gasschwingungen im Ansaug-und Auspuffsystem unter Umständen wesentlich herabgesetzt werden. Ist er sehr klein und liegen andererseits die Verbrennungsräume sehr weit außen, so wäre es denkbar, als Vertiefung nur eine flache Mulde anzuordnen.The size of the central recess in the piston crown, i.e. H. so radius and / or depth, depends on the size of the residual gas fraction. The latter can go through Exploitation of gas oscillations in the intake and exhaust systems may be essential be reduced. Is it very small and, on the other hand, are the combustion chambers very far out, it would be conceivable to arrange only a shallow depression as a depression.

Einzelheiten der Gestaltung einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Brennkraftmaschine zeigt die Zeichnung, und zwar F i g.1 einen Querschnitt durch den oberen Teil des Zylinders einer Brennkraftmaschine und F i g. 2 eine Draufsicht auf den Zylinderblock dieser Maschine bei abgenommenem Zylinderkopf. Nach den F i g.1 und 2 liegen im Motorblock 10 in bekannter Weise die Zylinder 11 mit den Kolben 12. Auf dem Block ist der Zylinderkopf 13 in nicht dargestellter Weise -aufgesetzt. Er enthält das hängende Einlaßventil 14, welches einen größeren Ventilquerschnitt aufweist als das hängende Auslaßventil 15. Beide Ventile liegen mit ihren Achsen parallel zur Zylinderachse, und alle drei Achsen liegen in derselben Ebene.Details of the design of a according to the method according to the invention working internal combustion engine shows the drawing, namely F i g.1 a cross section through the upper part of the cylinder of an internal combustion engine and F i g. 2 is a plan view on the cylinder block of this machine with the cylinder head removed. According to the F i g.1 and 2, the cylinders 11 with the pistons are located in the engine block 10 in a known manner 12. The cylinder head 13 is placed on the block in a manner not shown. It contains the hanging inlet valve 14, which has a larger valve cross-section has than the hanging outlet valve 15. Both valves lie with their axes parallel to the cylinder axis, and all three axes lie in the same plane.

Unter den Ventilen 14 und 15 liegen zwei einander gegenüberliegende, etwa sichelförmige Verbrennungsräume 16 und 17. Beide werden durch sichelförmige Aussparungen 18 im Motorblock 10 und durch etwa ringabschnittförmige Ausnehmungen 19 im Kolben 12 gebildet. Die Verbrennungsräume 16 und 17 sind so ausgebildet, daß ihre Außenkontur zusammen mit der Außenkontur 20 des Zylinders 11 sich an ein umhüllendes Oval 21 möglichst eng anschließen. Dies begünstigt die Entstehung des Dralls. Die ''"Tenkonturen der Abschnitte 19 liegen auf einem größeren Radius zur Zylinderachse als die Ventilachsen.Under the valves 14 and 15 are two opposite, approximately sickle-shaped combustion chambers 16 and 17. Both are crescent-shaped Recesses 18 in the engine block 10 and through approximately annular section-shaped recesses 19 formed in the piston 12. The combustion chambers 16 and 17 are designed so that its outer contour together with the outer contour 20 of the cylinder 11 adapts to an enveloping one Connect oval 21 as closely as possible. This favors the development of the twist. the "" Tenkonturen the sections 19 lie on a larger radius to the cylinder axis than the valve axes.

Das Auslaßventil15 liegt symmetrisch zu dem Verbrennungsraum 17. Im Gegensatz dazu ist das Einlaßventil14 gegenüber der Symmetrieachse des Verbrennungsraumes 16 entgegen der Drallrichtung versetzt. Letztere wird durch den Pfeil 22 angegeben. Im Kolben 12 befindet sich zentrisch eine etwa zylinderförmige Vertiefung 23, die zur Aufnahme des heißen Restgases dient. Sie ist etwas flacher als die Verbrennungsräume 16 und 17. Zwischen den letzteren und der Vertiefung 23 bleiben Ringzonen 24 und 25 am Kolben erhalten.The exhaust valve 15 is symmetrical to the combustion chamber 17. Im In contrast to this, the inlet valve 14 is opposite to the axis of symmetry of the combustion chamber 16 offset against the direction of twist. The latter is indicated by arrow 22. In the piston 12 is centrally located an approximately cylindrical recess 23, the serves to absorb the hot residual gas. It is a little flatter than the combustion chambers 16 and 17. Annular zones 24 and 24 remain between the latter and the recess 23 25 received on the piston.

Bei der beschriebenen Brennkraftmaschine wird während des Ansaug- und Verdichtungshubes ein Drall in Richtung des Pfeiles 22 nach F i g. 2 erzeugt. Hierfür sind außer dem dargestellten auch noch andere an sich bekannte Mittel angewendet worden, wie z. B. eine bestimmte Führung des Ansaugkanals. Durch diesen Drall - dessen Entstehung und Erhaltung durch die geschilderte Ausbildung begünstigt wird - erfolgt keine Mischung zwischen .dem Frischgas und dem heißen Restgas, und letzteres wird um die Zylinderachse konzentriert und gegen Ende des Verdichtungshubes in den Restgasraum 23 eingebracht. Das Frischgas bzw. die Luft bleibt infolgedessen relativ kalt und wird in die Verbrennungsräume 16 und 17 gebracht.In the case of the internal combustion engine described, during the intake and compression stroke a swirl in the direction of arrow 22 according to FIG. 2 generated. Other means known per se are also used for this in addition to the one shown been, such as B. a certain leadership of the intake duct. Through this twist - the creation and maintenance of which is favored by the training described - There is no mixing between .the fresh gas and the hot residual gas, and the latter is concentrated around the cylinder axis and towards the end of the compression stroke in the Residual gas space 23 introduced. As a result, the fresh gas or the air remains relative cold and is brought into the combustion chambers 16 and 17.

Gegen Ende des Verdichtungshubes wird durch die ringförmigen Kolbenzonen 24 und 25, die zwischen dem Restgasraum 23 und den Verbrennungsräumen 16 und 17 liegen, der Drall in den letzteren zerstört und dort eine Verwirbelung hervorgerufen, was eine gute Gemischbildung zur Folge hat. Im Restgasraum 23 bleibt der Drall ungestört erhalten. Deswegen sammeln sich in dem Spalt zwischen adem Zylinderkopf bzw. den Ventilen und dem Kolbenboden im Gegensatz zu der üblichen Brennkraft, maschine mit zentrisch liegendem Verbrennungsraum nur relativ magere Gemischteile, für deren Verbrennung stets noch ausreichend Luft zur Verfügung steht. Durch die Ringzonen 24 und 25 wird auch verhindert, daß Frischgasteile durch die Druckwelle in den Restgasraum geschleudert werden.Towards the end of the compression stroke, the ring-shaped piston zones 24 and 25 between the residual gas space 23 and the combustion spaces 16 and 17 lying, the swirl in the latter is destroyed and a turbulence is caused there, which results in a good mixture formation. The swirl remains undisturbed in the residual gas space 23 obtain. Therefore collect in the gap between adem cylinder head or the Valves and the piston head in contrast to the usual internal combustion engine with machine centrally located combustion chamber only relatively lean mixture parts for their There is always enough air available for combustion. Through the ring zones 24 and 25 is also prevented that fresh gas parts through the pressure wave into the residual gas space be thrown.

Claims

Claims: 1. A method for operating an internal combustion engine with external ignition, in which the fresh mixture or air that is sucked in set in a rotating movement around the cylinder axis during the intake stroke and through this swirl maintained even during the major part of the compression stroke a stratification of the cylinder content is achieved, d a d u r c h g e - indicates, that the separated by the swirl from the fresh mixture or from the air and in residual gas collecting near the cylinder axis towards the end of the compression stroke in a space in the form of a known central recess (23) in the piston head is introduced, while the fresh mixture or the air in one or more eccentrically arranged combustion chambers (16) displaced will that or the wall (24, 25) of the residual gas space radially surrounding it are essentially separated when the piston is at top dead center.

2. After the procedure of claim 1 working internal combustion engine with two overhead valves, whose Plates are at least partially outside the cylinder contour, characterized in that that in the area of one or each valve (14,15) an approximately sickle-shaped combustion chamber (16,17) is arranged, the outer contours of the combustion chamber or chambers (16, 17) and the cylinder (11) in cross section enveloping these contours Adjust the imaginary oval (21) as closely as possible.

3. Internal combustion engine according to claim 2, characterized in that each combustion chamber (16, 17) is partially cut out (18) in the cylinder block (10) and partly through recesses (19) in the piston crown (12) is formed.

4. Internal combustion engine according to claim 2 and 3, characterized in that the inlet valve (14) is offset from the center of gravity of the combustion chamber (16) below it against the swirl direction (22) of the inflowing air or the mixture. Documents considered: German Patent No. 1008 524; U.S. Patent No. 1691182.