DE2514479B2

DE2514479B2 - Viertakt-Hubkolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2514479B2
Application number: DE2514479A
Authority: DE
Inventors: Isao Tachikawa Tokyo Matsuno
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 1974-04-03
Filing date: 1975-04-03
Publication date: 1981-03-26
Also published as: DE2514479C3; JPS5759409B2; GB1500574A; JPS50130911A; DE2514479A1; FR2266801A1; FR2266801B1; US4070999A

Description

Die Erfindung betrifft eine fremdgezündete, ventilgesteuerte Viertakt-Hubkolbenbrennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist eine Verbrennungskraftmaschine mit Vorzündungsraum und Hauptkompressionsraum bekannt (DE-PS 4 27 674). Bei dieser bekannten Maschine ist jeder Raum mit einem Auslaßventil versehen, so daß der Hauptteil des verbrannten Gases aus den Räumen abgeführt wird und keine Abgasrückführung stattfindet.

Des weiteren ist eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Kolbenteil verringerten Querschnitts bekannt (AT-PS 11 550). Die Kammer für den Kolbenteil mit verringertem Querschnitt steht mit der Hauptkammer über einen Durchlaß in Verbindung, so daß kein verbranntes Gas in den Kammern verbleibt, die bekannte Maschine also auch nicht mit Abgasrückführung arbeitet

An sich ist auch eine Verbrennungskraftmaschine mit einem auslaßventillosen Abteil bekannt (FR-PS 1346314). Eine Abgasrückführung findet bei dieser bekannten Maschine nicht statt

Es ist auch ein Arbeitsverfahren für gemischverdichtende Brennkraftmaschinen mit Selbstzündung bekannt, durch das eine schlagartig wirkende Zündung verhindert werden soll (DE^PS 4 64 601).

Gegenstand eines älteren Patents (DE-PS 25 09 628) ist ein gattungsgemäßer Viertakt-Ottomotor mit einem mindestens einfach abgesetzten Zylinder und einem mindestens einfach abgesetzten Arbcilskolbcn, mit einem Brennraum, der beim Aufwärtshub des Kolbens durch Eintauchen des mindestens einen Kolbenabsatzes in den mindestens einen Zylinderabsatz in mehrere Teilräume unterteilt wird, und mit einer Zündkerze in einem der Teilräume, welche gezündet wird, bevor die Unterteilung in Teilräume beim Abwärtsgehen des Kolbens wieder aufgehoben wird. Gemäß der DE-PS 25 09 628 ist auch in dem mindestens einen weiteren Teilraum eine Zündkerze angeordnet, wobei die Zündkerzen in dem Sinn nacheinander gezündet werden, daß die jeweils früher gezündete Zündkerze to vor dem Aufheben dei Unterteilung zwischen dem ihr zugeordneten Teilraum und dem angrenzenden Teilraum gezündet wird.

Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, eine fremdgezündete, ventilgesteuerte Viertakt-Hubkolbenbrennkraftmaschine zu schaffen, durch welche Druck und Temperaturspitzen und damit Stickoxide im Abgas verringert werden. Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den UnteraiiSprüchen angegeben.

Die durch die erfmdungsgemäße Ausbildung erreichten zeitlich abgestuften Verbrennungsvorgänge halten die Druck- und Temperaturspitzen unter einem solchen Pegel, daß die Erzeugung von Stickstoffoxiden in den Abgasen wesentlich verringert wird.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnung beschrieben, in der sind:

Fig. 1 ein vertikrJer Querschnitt einer Kolben-Zylinder-Anordnung nach der Erfindung. Fig.2 ein Druckdiagramm, in dem eine Kennlinie eines Motors gemäß der Erfindung im Vergleich zu einer Kennlinie eines bekannten Motors aufgezeichnet ist,

Fig. 3 ein Diagramm der Verbrennungsgeschwindigkeit, in dem die Zeiten, die notwendig sind, damit der Verbrennungsvorgang in dem zweiten Verbrennungsabteil ankommt, durch Kurzen für den Motor nach der Erfindung und den bekannten Motor aufgezeichnet sind,

F i g. 4 ein Diagramm der Erzeugung von Stickstoffoxyden entsprechend dem Bremsdrshmoment und dem Brennstoffverbrauchsverhältnis,

Fig.5 ein vertikaler Querschnitt einer gegenüber F i g. 1 abgeänderten Kolben-Zylinderanordnung,

F i g. 6 ein vertikaler Schnitt einer gegenüber F i g. 1 des weiteren abgewandelten Kolben-Zylinderanordnung,

Fig.7 ein Druckdiagramm, in dem eine Kennlinie eines Motors nach der Erfindung und eine solche eines bekannten Motors aufgetragen sind, Fig.8 ein vertikaler Querschnitt einer Kolben-Zylindcranordnung in einer weiteren Ausfühningsform der Erfindung,

Fig.9 ein vertikaler Querschnitt einer gegenüber F i g. 8 abgewandelten Ausführungsform, Fig. 10 ein vertikaler Querschnitt einer Kolben-Zylinderanordnung in einer dritten Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 11 ein vertikaler Querschnitt einer Kolben-Zylinderanordnung in einer vierten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 12 ein vertikaler Querschnitt einer Kolben-Zylinderanordnung in einer fünften Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 13 ein vertikaler Querschnitt einer gegenüber F i g. 12 abgewandelten Ausführungsform.

Fig. !4 ein vertikaler Querschnitt einer gegenüber Fig. 12 des veiteren abgewandelten Ausführungsform und

Fig. 15 ein vertikaler Querschnitt einer Kolben-Zylinderanordnung in einer sechsten Ausführungsform der Erfindung.

Gemäß Fi g. I enthält der Motor nach der Erfindung eine Kolben-Zylinderanordnung mit einem Zylinder 1, einem Zylinderkopf 2, einem Kolben 3, der sich gleitbar in dem Zylinder 1 und einer Verbrennungskammer 4, die in dem Zylinderkopf 2 gebildet ist, hin- und herbewegt, einer Eintrittsöffnung 5 mit einem Einlaßventil 6, einer Austrittsöffnung 7 mit einem Auslaßventil 8, die sich beide in den oberen Teil der Kammer 4 öffnen, und einer Zündkerze 9.

Der Kolben 3 enthält eine Trennwand 10, die als Unterkolben gebildet ist, der mit dessen oberen Ende aus einem Stück besteht Die Verbrennungskammer 4 wird in zwei Abteile, die Teilbrennräume 4a und 46 unterteilt, wenn die Trennwand 10 gleitbar in das Abteil 4a im Vorwärtsteil der Hin- und Herbewegung des Kolbens eingepaßt ist Die Zündkerze 9 ist in dem Abteil 4a angeordnet

Die anderen Teile des Motors sind aus Vereinfachungsgründen weggelassen.

Im Betrieb öffnet das Ventil 6 die EintrittsC/fnung 5, um diese mit der Verbrennungskammer 4 zu verbinden, und das Gemisch wird in die Kammer 4 gesaugt, wo es im Rückwärtsteil der Hin- und Herbewegung des Kolbens für den Einlaßhub expandiert wird.

Nahe dem unteren Totpunkt des Kolbenhubes schließt das Ventil 6 die öffnung 5, um die Verbindung mit der Kammer 4 zu unterbrechen, und der Kolben 3 wird nach oben für den Kompressionshub bewegt Im Vorwärtsteil der Hin- und Herbewegung des Kolbens wird der Unterkolben 10 gleitbar in das Abteil 4a eingesetzt und trennt die Kammer in zwei voneinander isolierte Abteile 4a und 4b.

Nahe dem oberen Totpunkt des Kolbenhubs wird mit der Zündkerze 9 das brennbare Gemisch in dem Abteil 4a gezündet und der Kolben in die Rückwärtsbewegung versetzt Nach der Zündung und bei der gegenseitigen Verbindung der Abteile 4a und 4b in dem Rückwärtsteil der Hin- und I lerbewegung des Kolbens breitet sich der in dem Abteil 4a erzeugte Verbrennungsvorgang zum Inneren des Abteils 4b aus, so daß das brennbare Gemisch in dem Abteil 4b gezündet wird.

Wenn die stufenweisen Verbrennungen in beiden Abteilen miteinander kombiniert werden, hat die Druckkurvt, wie in K i g. 2 gezeigt ist, zwei Spitzen, die auf einem geeigneten Pegel angeordnet sind, bei dem die Stickstoffoxyde in den Abgasen wesentlich verringert werden. In diesem Fall werden die Spitzen der Kurve angemessen im Vergleich mit der Kurve des bekannten Motors verringert werden, dessen Kurve als gestrichelte Linie in F i g. 2 angegeben ist und durch den Stickstoffoxyde in erheblichem Maße erzeugt werden.

Nahe dem unteren Totpunkt des Kolbenhubs öffnet das Austrittsventil β die Öffnung 7, um diese mit der Kammer 4 zu verbinden, und dann beginnt der Vorwärtsteil der Hin- und Herbewegung des Kolbens für den Auslaßhub.

Die Zündzeiteinstellung der Zündkerze 9 soll so festgelegt werden, daß die Mischung im Abteil 46 vor der Entspannung des gezündeten Gemischs in dem Abteil 4a gezündet wird, während eine zeitliche Verzögerung für· die Zündung durch die Trennwand 10 aufrechterhalten wird, was Zeil weilig verhindert, daß die Verbrennung kontinuierlich von dem Abteil 4a zu dem Abieil 46ohnc jeden Widerstand übertragen wird.

Um die Verbrennung· teit zu verzögern, muß die Zündzeiteinstellung besser innerhalb eines Bereichs ausgewählt werden, der durch die Trenniingsperiode (2 Θ) der Knmmer 4 und die etwas vorangehende Zeit (Θ I) aufgrund der Verbannungsgeschwindigkeit, wie in F i g. 3 gezeigt ist, begrenzt ist, wobei die Verbrennung in dem ersten Zündungsabteil 4a sich zu dem zweiten Zündungsabteil 46 über einen Spalt zwischen dem Umfang-des Unterkolbens 10 und der Innenwand des Abteils 4a ausbreitet, wie durch die Kurve angegeben ist. In diesem Fall unterscheidet sich die Kurve gemäß der Erfindung von der Kurve des bekannten Motors, die in derselben Figur gezeigt ist

Zum Aufrechterhalten einer hohen Leistung und niedriger Kosten als auch gereinigter Abgase ergibt sich aus Fig. 4, daß die Zeiten, zu denen die Kammer 4 in die beiden Abteile 4a und 46durch die Trennwand 10 geteilt wird und die Trennung aufgehoben wird, in Bereichen eingestellt werden sollten, die durch IJ bis 30 Grad der Kurbelwinkel vor und nach dem unteren Totpunkt des Kolbenhubs begrenzt sind.

Bei dieser Ausführungsform blei¹:-.« ein Teil der Abgase in dem Abtei! 4a aufgrund der Einführung des Unterkolbens 10 in das Abteil 4a in dem Vorwäristeil der Hin- und herbewegung des Kolbens für den Auslaßhub. Die verbleibenden Abgase verdünnen die Mischung, die der Kammer 4 neuerlich durch den Rückwärtsteil der Hin- und Herbewegung des Kolbens für den Einlaßhub zugeführt wird, um eine Umwälzung der Abgase zu erhalten.

Wenn das Mischungsvolumen des zuerst zu zündenden Abteils größer als das des anderen Abteils ist, ergibt sich eine Druckkurve, wie in F i g. 7 gezeigt ist, wobei die erste Spitze der Kurve höher als die zweite ist Deshalb kann die Zündkerze 9, obwohl sie bei der ersten Ausführungsform in dem Abteil 4a angeordnet ist, in dem Abteil 4b angeordnet sein, wie in F i g. 5 gezeigt ist, wobei das Gemisch zuerst in dem Abteil 46 gezündet wird und nachfolgend das Gemisch in dem Abieil 4a nach einer Verzögerungszeit gezündet wird.

Fig.6 zeigt eine gegenüber Fig.5 abgewandelte Ausführungsform, die ein Abteil 4a, das größer als ein Abte^:! 4b ist und Eintritts- und Austrittsöffnungen 5 und 7 enthält, die mit dem Abteil 4a verbunden sind, wobei des weiteren eine Zündkerze 9 vorgesehen ist.

Bei dieser Ausführungsform kann das Gemisch des zweiten Verbrennungsabteils auf höhere Kompression als das des Zündverbrennungsabteils am oberen Totpunkt des Kolbenhubs gehalten werden, so daß dieser Druckunterschied eine Strömung des Gemischs

so verursacht, die über einen Spalt zwischen den Umfangen des Unterkolbens 10 und dem entsprechenden Abteil verläuft, um eine Turbulenz zu erzeugen, in der das Gemisch in dem Zündungsabteil vor der Funkenzündung vorherrscht, wodurch die Zündungsdauer verbessert wird.

Um eine positive Turbulenz zu erzeugen, ist üin Durchlaß vorgesehen, über den die Abteile miteinander zur ersten und letzten Zeit der Trennung der Kammer verbunden sind. Der Durchlaß besteht aus einem abgeschnittenen Tei' 11, der an der vorderen Kante der Trennwand 10, wie in Fig.8 gezeigt ist, oder an einer Kante M für die Abteile, wie in Fig. 9 gezeigt ist, gebildet ist. Die Ausführungsform der Fig."? enthält ein Abteil 4h. das über der Zylinderbohrung in Querrich-

*>*· tung vergrößert ist. Die Ausführungsform der Fig. 9 enthält hitzebeständig Metalle, die teilweise oder vollständig die vordere Kante des Unlcrkolbens 10 und die Kante ^bedecken.

Fig. IO zeigt eine Abwandlung der ersten Ausführungsform Der in I i g i 0 gezeigte Motor unterscheidet sich von den anderen Ausführungsformen dadurch, daß er eine abgesetzte Flüche 16 aufweist, die in dem Abteil 4a angeordnet ist. Die abgesetzte Fläche 16 ist insbesondere stufenförmig mit einer ebenen Fläche gebildet, die zur Oberseite der Trennwand 10 weist. In dem Abteil 4a wird, wenn die Oberseite der Trennwand 10 in Eingriff mit der ebenen Fläche in der letzten Stufe des Vorwärtsteils der Hin- und Herbewegung des Kolbens für den Kompressionshub gebracht wird, das Gemisch von der Flache 16 zu dem übrigen Raum abgeleitet und durch seine unregelmäßige Bewegung vermischt. Ein solches Vermischen wird verwendet, um die Verbrcnnbarkeit des Gemisches zu verbessern, insbesondere in dem Falle, wenn ein mageres Gemisch verwendet wird.

Fig. Il zeigt einen Motor, bei dem eine Einlaßöffnung 5 mit einem Einlaßventil 6 in Verbindung mit dem

CiSiCiI » CTim Ciiuüiip-inutCii -τ<ϊ SiCiii iiiiii viiiC γλιιλιιιιιλ-

öffnung 7 mit einem Austrittsventil 8 mit dem /weiten Verbrcnnungsabtcil 46 in Verbindung steht.

Demgemäß wird in dem Abteil 4a ein Gemisch gehalten, das nicht durch die verbleibenden Abgase verdünnt ist. die in der Kammer 4 vorhanden sind, da das Gemisch dem Abteil in der letzten Stufe des Rückwärtsleils der Hin- und Herbewegung des Kolbens zugeführt wird, obwohl das in das Abteil 46eingeführte Gemisch durch die restlichen Abgase verdünnt wird, so daß die Verbrennbarkeit in dem Abteil 4a, auch wenn das Gemisch mager eingestellt ist, angemessen aufrechterhalten wird.

Dieser Motor hat des weiteren einen Vorteil darin, daß das Eintrittsventil 6 in der Lage ist. die Eintrittsöffnung 5 zu öffnen, bevor der Unterkolben 10 in das Abteil 4a eintritt, so dr.ß aufgrund der Trägheit des Austritts die restlichen Abgase in dem Abteil 4a zu dem Abteil 46 und dann zu der Austrittsöffnung 7 strömen und das Abteil 4a mit dem Gemisch durchgespült wird, das vor der Trennung der Kammer 4 zunehmend zugeführt wird.

Bei den obigen Ausführungsformen können die Abteile 4a und 46, wie in Fig. 12 gezeigt ist, in dem Zylinderkopf 2 gebildet sein, um abgestufte Bohrungen zu bilden, die koaxial zu der Zylinderbohrung angeordnet sind, so daß die Verbrennung den Kolben 3 längs oder nahe seiner Mittellinie vortreibt.

Um die gegenüber dem bekannten Motor verbesserte Ausbildung nach der Erfindung in einer einfachen Abwandlung zu verwenden, kann eine Abstandsplatte 17 zwischen dem Zylinderblock 18 und dem Zylinderkopfblock 19 vorgesehen sein. Die Abstandsplatte 17 hat eine Bohrung 20, durch die der Untcrkolben 10 jjleitbar hindurchtritt, so daß die Kammer 4 in zwei Abteile 4;» und 46 aufgeteilt wird, wobei eines der Abteile einfach in dem Zylinderblock 18 angeordnet ist. während das andere in dem Zylinderkopfblock 19 mit den öffnungen und der Zündkerze angeordnet ist. siehe : « ι ι

ι ₆. ι j.

Der in Fig. 14 gezeigte IJnicrkolben 10 hat ein konisches oberes Ende in einer solchen Weise, daß der Raum des Abteils 4a an dem oberen Totpunkt des Kolbenhubs verringert wird, wobei Bohrungen für die Γ-'iniuM- und Austritisventilc in dem Abteil 4a gebildet sind, so daß das Gemisch in dem Abteil 4a einen höheren Kompressionsdruck ha!, was zu einer verbesserten Verbrennung führt.

Eine -icilerc Ausfiihrungsform der Erfindung ist in Fig. 15 gezeigt, bei der ein Kolben 3 mit zwei Trennwänden 10.i und 106 vorgesehen ist. die verschiedene Durchmesser aufweisen und hintereinander auf die axiale Linie des Kolbens oder der Zylinderbohrung angeordnet sind. Des weiteren sind eine Verbrennungskammer 4. die in drei Abteile 4a. 46 und 4c durch die Trennwände 10a und 106 aufgeteilt ist. und eine Zündkerze 9 vorgesehen, die in dem Abteil 4a angeordnet ist.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche-,

1. Fremdgezündete, ventilgesteuerte Viertakt-Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Gemischeinbringung in den Brennraum, mit einem Verdrängeransatz am Kolben, der während des Verdichtungshubes in einen vom Brennraum abgesetzten Teilbrennraum eintaucht, wobei die Zündungen der Gemischanteile im ersten Teilbrennraum und zweiten Teilbrennraum nacheinander erfolgen, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer der Trennung des ersten Teilbrennraums (4a bzw. 4b) vom zweiten Teilbrennraum (46 bzw. 4a) zwischen 10" und 30"KW vor und nach OTbegrenzt ist, und daß zur Zündung nur eine Zündkerze (9) vorgesehen ist.

Z Viertakt-Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkerze im ersten oder im zweiten Teilbrennraum (4a,-»i>) angeordnet ist

3. Vieriaki-Hubkcrfberibreniikraitmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der später gezündete Gemischanteil höher verdichtet ist als der zuerst gezündete.

4. Viertakt-Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumen der Teilbrennräume (4a, 46) unterschiedlich sind.

5. Viertakt-Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eir Teilbrennraiim (4a, 4b) auslaßventillos ist