DE2411909A1

DE2411909A1 - Mit ladungsschichtung betriebene, fremdgezuendete brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2411909A1
Application number: DE2411909A
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl Ing D Brandstetter; Gerd Dipl Ing Decker; Udo Dipl Ing Renger
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1974-03-13
Filing date: 1974-03-13
Publication date: 1975-09-25
Also published as: DE2411909C2

Description

VOIKSWAGEIfWEEK
Aktiengesellschaft
3180 Wolfsburg

unsere Zeichen: K 166O
1702-pt-we-sa

12. März 1974-

Mit Ladungsschichtung betriebene, fremdgezündete Brennkraftmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine mit Ladungsschichtung betriebene, fremdgezündete Brennkraftmaschine, in deren Zylinderkopf ein Hauptbrennraum und eine über einen Verbindungskanal mit diesem in Verbindung stehende, eine Eraftstoff-Zuführeinrichtung und eine Zündvorrichtung aufweisende Vorkammer vorgesehen sind, wobei die Vorkammer durch einen dünnwandigen, topfförmigen Einsatz gebildet wird, der in einer Ausnehmung des Zylinderkopfes mit Abstand zn den umgebenden Wänden angeordnet ist.

Fremdgezündete Brennkraftmaschinen, die mit geschichteter Ladung betrieben werden, sind schon seit vielen Jahren und in vielen Varianten bekannt. Der Grundgedanke bei allen Schichtladeverfahren bestand dabei darin, durch konstruktive Maßnahmen eine unterschiedliche Gemischzusammensetzung der^ Zylinderladung zum Zündzeitpunkt zu ermöglichen, und zwar der Art, daß sich in der Umgebung der Zünd-

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kerze ein zündfähiges, kraftstoffreiches Gemisch befindet, während die Ladung im übrigen Brennraum auf die jeweils günstigsten Betriebsbedingungen des Motors abgestimmt ist und aus einem mageren Gemisch oder sogar aus reiner Luft. besteht.

Während nun mit der Schichtladung bisher der Yersuch unternommen wurde, eine zuverlässige Zündung der Zylinderladung auch innerhalb weiter Grenzen der Gesamtgemischzusammensetzung sicherzustellen und darüber hinaus das Betreiben von Otto-Motoren mit höheren Yerdichtungsverhältnissen ohne Erreichung der Klopfgrenze zu ermöglichen, wird in den Schichtladeverfahren heute vor allem ein möglicher Weg zur Reduzierung der in den Abgasen der Brennkraftmaschinen enthaltenen Schadstoffe, insbesondere der .Stickoxyde, gesehen.

Heben den Brennkraftmaschinen, bei denen die Schichtladung durch zeitlich genau bemessene Einspritzung des Kraftstoffes in einen in dem Brennraum ausgebildeten Luftwirbel angestrebt wird, sind auch Konstruktionen von Schichtladungs-Brennkraftmaschinen bekannt, bei denen der Brennraum in einen von dem Kolben begrenzten Hauptbrennraum und eine ait dem Hauptbrennraum in Verbindung stehende Vorkammer unterteilt ist. Dabei weist die Vorkammer die beispielsweise in Form einer Zündkerze vorliegende Zündvorrichtung sowie die Kraftstoff-Zuführeinrichtung auf, die entweder durch eine Kraftstoffeinspritzdüse oder durch ein besonderes, zusätzliches Hilfs-Einlaßventil gebildet wird, über das der Vorkammer ein beispielsweise von einem.Vergaser aufbereitetes, kraftstoffreiches Gemisch zugeführt wird. Die Vorkammer ist dabei mit dem Hauptbrennraum durch einen

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Verbindungskanal verbunden, so daß nach der Zündung des in der Vorkammer vorhandenen, kraftstoffreichen. Ladungsteils eine Flammenfront zur Verbrennung der restlichen, je nach Last kraftstoffarmen Zylinderladung in den Hauptbrennraum übertreten kann, wodurch sich eine Verbrennung.mit herabgesetzten Verbrennungs-Spitzentemperatüren einstellt.

Bei einer bekannten Brennkraftmaschine dieser Bauart OS 2 327 703 - 46a, I9-IO) wird die Vorkammer durch einen dünnwandigen, topfförmigen Einsatz gebildet, der in einer Ausnehmung des Zylinderkopfes mit Abstand zu den umgehenden Wänden angeordnet ist. Dabei ist die den Einsatz aufnehmende Ausnehmung in dem Zylinderkopf nach ohen hin, d.h. zu der dem Hauptbrennraum angewendeten Seite hin, geöffnet und gleichzeitig zur Aufnahme eines Ventilsitzes für das das kraftstoffrpiche Gemisch zuführende Hilfs-Einlaßventil· ausgebildet. Auch der die Vorkammer einschließende, topfformige Einsatz ist von oben her in den Zylinderkopf eingesetzt und im Bereich des Ventilsitzes gehalten. An dem dem Hauptbrennraum zugewandten Ende weist der Einsatz dann eine mit dem VerMndungskanal korrespondierende Durchtrittsöffnung auf.

Der dünnwandige Vorkammer-Einsatz dient dabei dem Zweck, den Betrieb der Brennkraftmaschine beim Kaltstart und in der Warmlaufphase zu erleichtern, indem er durch seine verhältnismäßig geringe Masse eine schnelle Aufheizung der Vorkammer ermöglicht. Dadurch wird eine Kondensation der in dem vergleichsweise fetten Gemisch vorhandenen Kraftstoffbestandteile an den Brennraumwänden weitgehend vermieden und durch eine "bessere Gemischaufbereitung die Voraussetzung für eine einwandfreie Zündung und gute Verbrennung des Kraftr stoff-Luftgemisches geschaffen.

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Setzung für eine einwandfreie Zündung und gute Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches geschaffen.

Andererseits darf eine derartige Vorkammer auch bei Volllast der Brennkraftmaschine nicht zu heiß werden, da dann die Gefahr von Glühzündungen entsteht, die einen geregelten Verbrennungsablauf entscheidend stören können. Bei der bekannten Ausführung einer schichtgeladenen Brennkraftmaschine wird versucht, dieser Gefahr dadurch aus. dem Wege zu gehen, daß der Vorkammereinsatz derart in die Ausnehmung des Zylinderkopfes eingesetzt ist, daß er nur bei niedrigen Wandtemperaturen, d.h. während des Kaltstarts und in der Warmlaufphase, einen Abstand zu den umgebenden Wänden des Zylinderkopfes einhält, während er sich infolge Wärmeausdehnung bei höheren Temperaturen, d.h. bei betriebswarmer Brennkraftmaschine, an die Zylinderkopfwände anlegt. Dadurch soll die insbesondere im Bereich des Verbindungskanals zum Hauptbrennraum entstehende große Wärmemenge schnell an die umgebenden Zylinderwände abgeführt werden, so daß der Vorkammereinsatz auch in diesem Bereich zulässige Temperaturwerte nicht überschreitet. Nun ist jedoch zu befürchten, daß die insbesondere während der Warmlaufphase, d.h. bei noch-nicht betriebswarmem Motor entstehenden Verbrennungsrückstände, wie Ruß und dergleichen, sich in dem Zwischenraum zwischen dem Einsatz und der Zylinderkopfwand absetzen und bei längerer Betriebszeit der Brennkraftmaschine diesen Zwischenraum vollständig zusetzen. In diesem Fall wird durch die festen Ablagerungen eine Wärmedehnung des Einsatzes und insbesondere sein Anlegen an die Zylinderkopfwände weitgehend verhindert, so daß eine Abfuhr der bei der Verbrennung in der Vorkammer entstehenden Wärme von dem Einsatz auf den Zylinderkopf im wesentlichen nur noch über die Sitz-

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flächen des Einsatzes im Bereich des Hilfs-Einlaßventils übertragen werden können, da die sich in dem Zwischenraum zwischen dem Einsatz und dem Zylinderkopf ablagernden Verbrennungsrückstände schlechte Wärmeleiter sind, also isolierend wirken. Die Wärmeabfuhr über dem Haltesitz des Einsatzes kann jedoch auch dann nicht ausreichend sein, wenn das Material des Yorkammereinsatzes eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, insbesondere weil der mit den höchsten Temperaturen beaufschlagte Bereich des Einsatzes, nämlich der in der Nähe der Überströmöffnung zum Hauptbrennraum, sich gerade an dem vom Haltesitz aus gesehen entlegensten Ende des Einsatzes befindet. Das "Überschreiten zulässiger ü?emperaturwerte des Einsatzes bei höheren Lastzuständen der Brennkraftmaschine und dadurch verursachte Glühzündungen können also bei der.bekannten Ausführung nicht mit Sicherheit vermieden werden, insbesondere dann nicht, wenn anstelle des Hilfs-Einlaßventils nur eine Kraftstoffeinspritzdüse vorgesehen ist, da in diesem Pail auch noch die durch die gesonderte Gemischzuführung zur Vorkammer durch das Bilfs-Einlaßventil erreichte Kühlung der Einsatzwände wegfällt. ·

Die der- Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, bei einer mit ladungsschichtung betriebenen, fremdgezündeten Brennkraftmaschine der eingangs bezeichneten Bauart außer einer schnellen Aufheizung der durch einen Einsatz gebildeten Vorkammer während des Kaltstarts und in der Warmlaufphase auch eine wirkungsvolle Wärmeabfuhr im Bereich von höheren Lasten der Brennkraftmaschine sicherzustellen, damit die Gefahr von Glühzündungen weitgehend ausgeschlossen werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung da-

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durch, daß der Vorkammereinsatz mittels eines den Yerbindungskanal aufweisenden, ringförmigen Halsstückes in der zum Hauptbrennraum hin offenen Ausnehmung des Zylinderkopfes gehalten ist. Im Gegensatz zu der bekannten Brennkraftmasehinenausführung' ist also die den Yorkammereinsatz aufnehmende Ausnehmung des Zylinderkopfes zum Haupfbrennraum hin geöffnet, so daß der Yorkammereinsatz auch von dieser Seite her eingesetzt und mit Hilfe eines den Verbindungakanal bildenden, ringförmigen Halsstückes gehalten wird. Der den Hauptteil der Wärmeabfuhr von dem Einsatz auf den Zylinderkopf übernehmende Haltesitz befindet sich also bei

der erfindungsgemäßen Ausführung schon in dem Bereich des Yerbindungskanals, in dem die größten Temperaturen auftreten. Durch kurze Wege ergibt sich damit eine schnelle und wirkungsvolle Wärmeabfuhr, so daß die Wandtemperaturen des Yarkammereinsatzes bei entsprechender Abstimmung der wärmeübertragenden Flächen des Haltesitzes für alle Lastbereiche der.Brennkraftmaschine innerhalb zulässiger Grenzen gehalten werden können.

einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung soll das ringförmige Halsstück auf einem ersten, radial inneren zylindrischen Absatz den topfförmigen Yorkammereinsatz tragen und mit einem zweiten, radial äußeren Absatz in einer Bohrung des Zylinderkopfes befestigt sein. TJm dabei den Wärmefluß von dem Yorkammereinsatz auf das Halsstück und von dort auf den Zylinderkopf den Anforderungen entsprechend abzustimmen, können die zylindrischen Absätze des Halsstückes auch nur jeweils zonenweise mit dem Zylinderkopf bzw. dem topfförmigen Einsatz in Berührung stehen. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß die zylindrischen Absätze des Halsstückes eingedrehte Rillen aufweisen.

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Weitere Vorteile und die wesentlichen Merkmale der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung enthalten, die das- in der Zeichnung gezeigte Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt einen Längsschnitt durch einen Teil des Zylinderkopfes einer mit einem geteilten Brennraum ausgeführten Brennkraftmaschine in schematischer Barstellungsweise. Dabei ist mit 1 der Zylinderkopf, mit 2 der von diesem über dem Kolben gebildete Hauptbrennraum und mit 3 eine zum Hauptbrennraum hin offene, eine Vorkammer 6 aufnehmende Ausnehmung im Zylinderkopf 1 bezeichnet. Die Vorkammer 6 wird durch einen dünnwandigen, topfförmigen Einsatz 5 gebildet, der mittels eines ringförmigen Halsstückes 4 mit Abstand zu den umgebenden Wänden der Ausnehmung 3 gehalten ist. 11 und 13 stellen an dem topfförmigen Einsatz 5 vorgesehene Durchgangsöffnungen dar, durch die eine in der Aufnahmebohrung 12 einzusetzende Kraftstoffeinspritzdüse bzw. eine in die Aufnahmebohrung 14 einzuschraubende Zündkerze in die Vorkammer 6 hineinragt.

Das Halsstück 4 weist zur Verbindung des Hauptbrennraums 2 mit der Vorkammer 6 einen in dem hier gezeigten Beispiel exzentrischen Kanal 7 auf, dessen Ein- und Auslauf gut abgerundet sind. Der topfförmige Einsatz 5 ist auf einem radial inneren, zylindrischen Absatz 10 des Halsstückes 4 gehalten, während das Halsstück 4 seinerseits mit einem zweiten, radial äußeren zylindrischen Absatz 9 iⁿ einer Bohrung 8 der Ausnehmung 3 befestigt ist. Die zylindrischen Absätze 9 ήβ-& 10 des Halsstückes 4 weisen eingedrehte Rillen 15 auf, durch die die Größe der miteinander in Berührung stehenden !Flächen zwischen dem Halsstück 4 einerseits und dem Einsatz 5 bzw. dem Zylinderkopf 1 andererseits zur Steuerung des Wärmeflusses abgestimmt werden kann. Dieser Wärmefluß von dem Einsatz zu dem Halsstück 4 und von dort zu dem Zylinderkopf 1 muß da-

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bei so eingestellt sein, daß beim Kaltstart und in der Warmlaufphase der Verbrennungskraftmaschine der die Vorkammer bildende Einsatz 5 sich schnell aufheizt, so daß auch während dieser kritischen Betriebszustände der in die Vorkammer eingespritzte Brennstoff schnell verdampfen kann und sich eine gute Gemischaufbereitung einstellt. Bei höherer Motorbelastung soll dagegen die Wärmeabfuhr so groß sein, daß die Wandtemperaturen des Einsatzes 5 und des Halsstückes 4 innerhalb eines zulässigen Temperaturbereiches liegen, in dem Glühzündungen nicht zu erwarten sind. Diese gegensätzlichen Forderungen können dadurch zumindest in gewünschtem Umfang erfüllt werden, indem der dünnwandige, die Vorkammer bildende Einsatz mit Abstand zu den umgebenden Wänden der Ausnehmung 3 des Zylinderkopfes 1 angeordnet ist und aus einem Material mit geringer spezifischer Wärme und guter Wärmeleitfähigkeit besteht und indem andererseits die den Hauptteil der Wärmeabfuhr übernehmende Halterung des Einsatzes im Bereich der höchsten auftretenden Temperaturen durch das den Verbindungskanal aufweisende Halsstück 4 gebildet wird. Die exzentrische Anordnung des Verbindungskanals 7 in dem Halsstück 4 trägt ebenso wie der abgerundete Ein- und Auslauf des Kanals 7 ^ΖΛΧ einem günstigen Strömungsverlauf während des Verdichtungstaktes bzw. während der_in der Vorkammer 6 eingeleiteten Verbrennung der gesamten Zylinderladung bei.

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Claims

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ANSPRÜCHE

Mit Ladungsschichtung betriebene, fremdgezündete Brennkraftmaschine, in deren Zylinderkopf ein Hauptbrennraum und eine über einen Verbindungskanal mit diesem in Verbindung stehende, eine Kraftstoff-Zuführeinrichtung und eine Zündvorrichtung aufweisende Vorkammer vorgesehen « sind, wobei die Vorkammer durch einen dünnwandigen, topfförmigen Einsatz gebildet wird, der in einer Ausnehmung des Zylinderkopfes mit Abstand zu den umgebenden Wänden angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der die Vorkammer (6) bildende Einsatz (5) mittels eines den Verbindungskanal (7) aufweisenden, ringförmigen Halsstükkes (4) in der zum Hauptbrennraum (2) hin offenen Ausnehmung (3) des Zylinderkopfes (1) gehalten ist.

Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Ealsstück (4) auf einem ersten, radial inneren zylindrischen Absatz (ίο) den topfförmigen Vorkammereinsatz (5) trägt und mit einem zweiten radial äußeren zylindrischen Absatz (9) in einer Bohrung (8) des Zylinderkopfes (1) befestigt ist.

3· Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß die zylindrischen Absätze {$, 10) des Halsstük kes (4) nur jeweils zonenweise mit dem Zylinderkopf (1) bzw. dem topfförmigen Einsatz (5) in Berührung stehen.

4· Brennkraftmaschine nach Anspruch 3j dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrischen Absätze (9, 10) des Halsstükkes (4) eingedrehte Rillen (I5) aufweisen.

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5· Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 "bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoff-Zuführeinrichtung und die Zündvorrichtung· durch in dem Einsatz (5)
vorgesehene Öffnungen (11, 13) in die Brennkammer (6)
hineinragen.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ^adurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (7) einen abgerundeten Ein- und Auslauf aufweist.

7· Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (7) exzentrisch.in dem Halsstück (4) angeordnet ist.

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