DE2543401B2

DE2543401B2 - Brennkraftmaschine mit Hilfsbrennkammer

Info

Publication number: DE2543401B2
Application number: DE2543401A
Authority: DE
Inventors: Masami Toyota Aichi Konishi; Norihiko Mishima Shizuoka Nakamura; Shogo Okazaki Aichi Sanda
Original assignee: Toyota Jidosha Kogyo KK
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1975-07-03
Filing date: 1975-09-29
Publication date: 1978-04-27
Also published as: SU995709A3; JPS5327403B2; GB1524202A; DE2543401A1; JPS526807A

Description

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Es ist bekannt, daß bei der Verbrennung magerer Kraftstoff/Luft-Gemische, d. h. Gemische mit einem hohen Verhältnis Luft zu Kraftstoff, von einer " Verbrennungskraftmaschine weniger Schadstoffanteile, wie CO, HC und NO_x, in den Abgasen erzeugt werden als bei der Verbrennung normaler oder fetter Gemische. Die Verbrennung magerer Gemische bringt jedoch einige Schwierigkeiten mit sicn, insbesondere kann der ^h(l Kraftstoffverbrauch pro Kilowattstunde durch Fehlzündungen oder Zündausfälle und durch eine niedrige Verbrennungsgeschwindigkeit sehr ansteigen.

Es sind bereits Verbrennungskraftmaschinen bekannt, die eine Hauptbrennkammer und eine Hilfsbrennkam- ^lir> mer enthalten, die durch einen Kanal miteinander verbunden sind. Eine derartige Verbrennungskraftmaschine kann man auf zwei verschiedene Arten betreiben.

Bei der einen Art kann man geschichtete Mischungen verbrennen, bei der anderen Art ist das Gemisch in sich gleichförmig.

Eine nach der ersten Art arbeitende Verbrennungskraftmaschine ist in der DE-PS 7 23 710 beschrieben. Bei ihr wird durch ein Hilfseinlaßventil in die Hilfsbrennkammer reiner Brennstoff eingeleitet, gegebenenfalls unter Hinzufügung geringer Luftmengen, während in die Hauptbrennkammer reine Luft eingeleitet wird. Während des Verdichtungstaktes strömt Luft aus der Hauptbrennkammer durch den Verbindungskanal in die Hilfsbrennkammer und vermischt sich mit dem dort vorhandenen Brennstoff, wobei eine Vorkragung um die Elektroden der in der Hilfsbrennkammer angeordneten Zündkerze diese vor der direkten Berührung mit der Strömung schützt, so daß in der Umgebung der Zündkerzeneleketroden ein relativ fettes, leicht zündfähiges Gemisch erhalten bleibt Nachteilig an dieser Verbrennungskraftmaschine ist, daß der um die Zündkerzenelektroden liegende Bereich der Hilfsbrennkammer nach der Verbrennung nicht ausreichend freigespült wird, so daß es hier zu Verschmutzungen, Anbackungen und letztlich zu Beeinträchtigungen im Zündverhalten kommen kann.

Bei der zweiten Art sind keine Mittel zum getrennten Einleiten eines Gemisches in die Hilfsbrennkammer, wie beispielsweise ein Hilfsventil, vorgesehen, das Gemisch wird vielmehr aus der Hauptbrennkammer durch den Verbindungskanal während des Verdichtungstaktes in die Hilfsbrennkammer gedrückt und wird in letzterer gezündet und verbrannt. Diese Art Verbrennungskraftmaschine ist folglich einfacher aufgebaut, einfacher herstellbar und zu warten und im Betrieb sehr zuverlässig. Sie hat jedoch den Nachteil, daß mageres Gemisch schlechter zündet als fettes Gemisch und daß zusätzlich die Zündwilligkeit, wie zuvor, herabgesetzt ist durch Restgsgase, die vom vorangegangenen Verbrennungszyklus noch in der Hilfsbrennkammer vorhanden sind.

Es sind bereits Versuche unternommen worden, diesen Typ Verbrennungskraftmaschine zu verbessern. So hat man die Zündkerze so in der Verbrennungskraftmaschine angebracht, daß ihre Elektroden am Ende des Verbindungskanals liegen. Auf diese Weise ist in der Umgebung der Elektroden am Ende des Ansaugtaktes nur frisches mageres Gasgemisch vorhanden. Während des nachfolgenden Verdichtungstaktes werden etwa vorhandene Restgase aus diesem Bereich in die Hilfsbrennkammer hineingedrückt. Das magere Gemisch kann daher mit großer Sicherheit gezündet werden und verbrennt unbeeinflußt von den Restgasen. Die so erzeugte Flamme kann sich in der Hauptbrennkammer ausbreiten und verbrennt das darin enthaltene Gemisch (nicht vorveröffentlichte DE-OS 25 08 081).

Dies bringt jedoch den Nachteil mit sich, daß die Elektroden, speziell die geerdete Elektrode, sehr leicht überhitzt werden können, da die in der Hilfsbrennkammer brennenden Gase beim Ausströmen in die Hauptbrennkammer an den Kerzenelektroden vorbeiströmen. Die Folge hiervon sind Fehlzündungen und ein vorzeitiger Verschleiß der Zündkerze.

Eine weitere Möglichkeit, das Ausspülen von Restgasen aus der Hilfsbrennkammer einer mit einer solchen ausgerüsteten Verbrennungskraftmaschine zu verbessern, ist in der DE-OS 24 02 412 offenbart. Diese beschreibt eine Verbrennungskraftmaschine, bei welcher die die Zündkerzenelektroden aufnehmende Hilfsbrennkammer über zwei Verbindungskanäle mit

der Hauptbrennkammer in Verbindung steht, von welchen der eine bevorzugt der Zuleitung eines relativ fetten Kraftstoff/Luft-Gemischs dient und der andere der Ableitung der entstehenden Flamme in die Hauptbrennkammer dient, in welche im bbrigen ein mageres Kraftstoff/Luft-Gemisch eingeführt wird. In der Hilfsbrennkammer sind gasströmungslenkende Mittel in Form eines Wandvorsprungs angeordnet, die die Spülwirkung im Elektrodenbereich verbessern sollen. Zwar weist die Hilfsbrennkammer kein eigenes, zur Zuführung des fetten Gemischs bestimmtes Einlaßventil auf, jedoch ist im Ansaugkanal eine Zuleitung für das fette Gemisch angeordnet, die in der Nähe des EinlaßventilsUzes dicht neben dem einen, die Hauptbrennkammer mit der Hilfsbrennkammer verbindenden Kanal mündet. Diese Konstruktion ist somit wie die eingangs beschriebene relativ aufwendig. Außerdem fehlen in der Hilfsbrennkammer Einrichtungen, die die Elektroden der Zündkerze gegen das Umspülen durch brennende Gase schützen.

Aus dem votstehenden ergibt sich, daß der Wunsch nach einer Verbrennungskraftmaschine besteht, bei der einerseits die Hilfsbrennkammer wenigstens in dem die Zündkerzenelektroden aufnehmenden Bereich gut durchspült wird, andererseits aber die Zündkerzenelektroden vor dem Umspülen durch brennende Gase geschützt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennungskraftmaschine anzugeben, bei der die vorgenannte Forderung erfüllt ist und die einen ebenso einfachen Aufbau zuläßt wie er bei der bereits früher vorgeschlagenen, in der DE-OS 25 08 081 beschriebenen Verbrennungskraftmaschine realisiert ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung soll an einigen bevorzugten Ausführungsformen nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch den interessierenden Teil einer Verbrennungskraftmaschine nach der Erfindung;

F i g. 2 und 3 verschiedene Zustände während der Gasströmungen zwischen Haupt- und Hilfsbrennkammer;

F i g. 4, 5 und 6 eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit verschiedenen Zuständen der Gasströmung zwischen Haupt- und Hilfsbrennkammer und

F i g. 7 eine dritte Ausführungsform der Erfindung.

Die F i g. 1 bis 3 neigen ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Zylinderblock 1 und einem Zylinder 2, die oben von einem Zylinderkopf 4 abgeschlossen sind. Im Zylinder 2 ist ein Kolben 3 angeordnet. Eine erste Brennkrammer 6, die nachfolgend mit Hauptbrennkammer bezeichnet ibt, ist zwischen dem Zylinderkopf 4 und dem oberen Ende des Kolbens 3 in dessen oberer Totpunktstellung ausgebildet. Die Hauptbrennkammer 6 enthält ein Einlaßventil 5 zum Ansaugen von Kraftstoff/Luft-Gemisch und ein (hier nicht dargestelltes) Auslaßventil.

Im oberen Bereich ist an der Hauptbrennkammer 6 eine Ausnehmung 7 ausgebildet, in die eine Auskleidung 8 mit Preßsitz eingepaßt ist. Die Auskleidung 8 enthält eine zweite Brennkammer 9, nachfolgend Hilfsbrennkammer genannt, und einen Kanal 10, der die Hauptbrennkammer 6 mit der Hilfsbrennkammer 9 verbindet. Die Auskleidung 8 besteht vorzugsweise aus rostfreiem Stahl hoher Hitzebeständigkeit. Alternativ können die Hilfsbrennkammer 9 und der Kanal 10 auch direkt im Zylinderkopf 4 ausgebildet sein. Die Auskleidung 8 ist nicht unbedingt e: forderlich. Im Zylinderkopf 4 ist eine Bohrung 11 vorgesehen, die Auskleidung 8 weist einen Durchbruch W auf. In die Bohrung Il ist eine Zündkerze 12 eingeschraubt, deren Elektroden 12a und 12a'sich in den Durchbruch W der Auskleidung 8 erstrecken. Die geerdete Elektrode 12a ragt vorzugsweise in den Kanal 10 hinein. Die Auskleidung 8 ist mit einem Vorsprung, einer Erhöhung

in 13 od. dgl. ausgebildet, die den brennenden Gasstrom, der sich von der Hilfsbrennkammer 9 in die Hauptbrennkammer 6 ergießt, von den Elektroden der Zündkerze 12 ablenkt, wie nachfolgend noch im einzelnen erläutert wird.

ι ^r> Der Vorsprung 13 an der Auskleidung 8 ist auf der der Hilfsbrennkammer 9 zugewandten Seite der Zündkerze 12, d. h. in F i g. 1 rechts der Elektrode 12a'angeordnet, vorzugsweise in unmittelbarer Nachbarschaft dieser Elektrode, damit die vorerwähnte Wirkung so groß wie möglich ist. Die Abmessungen des Vorsprungs 13, speziell seine Höhe, sind so gewählt, daß die brennenden Gase nicht direkt an den Elektroden 12a und 12a' entlangstreichen. Sofern die Auskleidung 8 fehlt und die Hilfsverbrennungskammer direkt im Zylinderkopf 4

2") ausgebildet ist, kann der Vorsprung gleichfalls direkt durch Stehenlassen eines entsprechenden Teils am Zylinderkopf 4 beim Gießen ausgebildet werden.

Der Betriebsablauf bei dieser ersten Ausführungsform der Erfindung vollzieht sich wie folgt:

ι» Das in die Hauptbrennkammer 6 durch das Einlaßventil 5 hindurch angesaugte magere Gemisch wird durch den Kanal 10 hindurch während der Abwärtsbewegung des Kolbens 3 im Verdichtungstakt in die Hilfsbrennkammer 9 hineingedrückt. Beim

)·"> Einströmen in die Hilfsbrennkammer 9 streicht das Gasgemisch an den Elektroden, speziell der Elektrode 12a vorbei, wie in Fig.2 durch die Pfeile dargestellt. Etwa in der Umgebung der Elektroden noch vorhandene Gasreste vom vorangegangener. Verbrennungsvor-

■II) gang werden hierdurch ins Innere der Hilfsbrennkammer 9 hineingedrückt, die Umgebung der Kerzenelektroden wird von solchen Gasresten freigespült Das magere Gemisch im Kanal 10 kann deshalb sicher durch einen Funkenüberschlag zwischen den Elektroden 12a

π und 12a' gezündet werden, da in der Umgebung der Kerzenelektroden keinerlei Restgasanteile mehr vorhanden sind.

Nach der Zündung pflanzt sich die Flamme in der Hilfsbrennkammer 9 mit einem kleinen Volumen fort

i'i infolge eines geringen Gasflusses von der Hauptbrennkammer in die Hilfsbrennkammer. Die Verbrennung findet daher zunächst in der Hilfsbrennkammer statt. Sodann strömen die so verbrannten Gase durch den Kanal 10 in die Hauptbrennkammer 6 und zünden dort

^Γι^Γ> das darin enthaltene unverbrannte magere Gasgemisch. Die aus dem Kanal 10 in die Hauptbrennkammer sich ergießende Gasströmung hat eine extrem hohe Geschwindigkeit. Der Anteil dieser Gasströmung, der von dem Vorsprung 13 abgelenkt wird, fließt auf

Wi geradem Wege in die Hauptbrennkammer 6 hinein, wie durch die Pfeile in F i g. 3 angedeutet ist, so daß sie in keinen wesentlichen Kontakt mit der Elektrode 12a kommen können. Die Elektroden 12a und 12a' sind daher nicht direkt den hohen Geschwindigkeiten und

'·"· Temperaturen der brennenden oder verbrannten Gase ausgesetzt, womit die eingangs genannten Schwierigkeiten, wie Frühzündungen und Kerzenbeschädigungen durch Überhitzung auseeschaltet sind.

Die Fig.4 bis 6 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dieses unterscheidet sich vom ersten dadurch, daß der Kanal 20, der die Hauptbrennkammer 6 mit der Hilfsbrennkammer 9 verbindet, aus zwei Zweigen 20a und 20b besteht, die miteinander verbunden sind. Der der Hauptbrennkammer 6 zugekehrte Zweig 20a schließt dabei mit dem der Hilfsbrennkammer 9 zugekehrten Zweig 20b einen Winkel ein. Die Elektroden 12a und 12a'sind in einer Verlängerung des Zweiges 20a angeordnet und ragen nicht in den Zweig 20b hinein.

Im Betrieb spielen sich im wesentlichen die gleichen Vorgänge ab wie beim ersten Ausführungsbeispiel. Wenn das magere Gemisch aus der Hauptbrennkammer 6 durch die Kanalzweige 20a und 20b in die Hilfsbrennkammer 9 gepreßt wird, dann prallt es auf die Elektrode 12a in der Fortsetzung des Kanalzweigs 20a und spült die dort etwa vorhandenen Restgasanteile weg, bevor es, wie F i g. 5 zeigt, in die Hilfsbrennkammer 9 einströmt. Die Elektrode 12a ist in der Fortsetzung des Kanalzweigs 20a vorzugsweise so nahe wie möglich an dem anderen Kanalzweig 2Oi angeordnet, jedoch so, daß sie nicht direkt den heißen Gasen ausgesetzt ist, die aus der Hilfsbrennkammer 9 in die Hauptbrennkammer 6 strömen.

Wenn die verbrennenden Gase aus der Hilfsbrennkammer 9 mit hoher Geschwindigkeit in die Hauptbrennkammer 6 strömen, können sie nicht auf die Elektroden 12a und 12a' auftreffen, da diese nicht im Kanalzweig 206 angeordnet sind. Dies geht aus F i g. 6 deutlich hervor. Der Winkel zwischen den Zweigen 20a und 20b ist in geeigneter Weise nach solchen Faktoren ausgewählt, wie beispielsweise dem Volumenverhältnis von Hauptbrennkammer 6 zu Hilfsbrennkammer 9 und der gegenseitigen Lage beider Brennkammern.

F i g. 7 zeigt eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher die Hauptbrennkammer 6 und die Hilfsbrennkammer 9 durch zwei voneinander getrennte Kanäle 31 und 32 miteinander verbunden sind. Der Kanal 31 ist auf seiner Einlaßseite mit einem Einwegeventil 33 versehen, das einen Gasfluß nur aus der Hauptbrennkammer 6 in die Hilfsbrennkammer 9 zuläßt, wie durch den Pfeil P dargestellt ist. Der Kanal 31 ist somit ein Einlaßkanal. Der andere Kanal 32, ein Auslaßkanal, ist auf seiner Auslaßseite ebenfalls mit einem Einwegventil 34 versehen, das einen Gasfluß nur aus der Hilfsbrennkammer 9 in die Hauptbrennkammer

") 6 zuläßt, wie durch den Pfeil Qdargestellt ist.

Die Elektroden 12a und 12a'der Zündkerze 12 sind im Einlaßkanal31 angeordnet. Diebeiden Richtungsventile 33 und 34 bilden vorzugsweise eine integrale Einheit und sind an der Auskleidung 8 befestigt, z. B. durch einen

in Niet 35. Das Einlaßventil 33 wird vorzugsweise von einem Vorsprung 8a der Auskleidung 8 unterstützt, wie die Zeichnung zeigt, damit es nicht unter der Wirkung der in der Hilfsbrennkammer 9 brennenden Gase verbogen oder zerstört werden kann. Während des

ι '> Verdichtungstaktes wird das magere Gemisch aus der Hauptbrennkammer 6 ausschließlich durch den Einlaßkanal 31 in die Hiifsbrennkammer 9 gedrückt und spült dabei die Restgase aus der Umgebung der Elektroden 12a und 12a'fort. Zur gleichen Zeit ist das Auslaßventil

in 34 geschlossen.

Die in der Hilfsbrennkammer 9 verbrennenden Gase strömen ausschließlich durch den Auslaßkanal 32 in die Hauptbrennkammer 6. Die Elektroden 12a und 12a'der Zündkerze 12 sind daher keiner heißen Gasströmung

-■'■ ausgesetzt. Das Einlaßventil 33 ist dabei selbstverständlich geschlossen.

Es sei hervorgehoben, daß beim dritten Ausführungsbeispiel der Einlaßkanal 31 so geformt sein kann, daß das magere Gemisch, das durch ihn hindurchfließt,

ι» optimale Zündbedingungen auffindet. Der Auslaßkanal 32 kann so geformt sein, daß die ausströmenden brennenden Gase optimale Verbrennungsbedingungen in der Hauptbrennkammer 6 vorfinden. Beide Bedingungen können zugleich erfüllt werden, da der

i~> Einlaßkanal 31, in welchem die Elektroden 12a und 12a' angeordnet sind, und der Auslaßkanal 32 voneinander unabhängig sind.

Die Erfindung wurde am Beispiel der Verwendung eines gleichförmigen Kraftstoff/Luft-Gemischs erläu-

w tert. Es sei jedoch betont, daß die Erfindung wirksam auch bei solchen Verbrennungskraftmaschinen angewendet werden kann, bei denen eine geschichtete Verbrennung stattfindet.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Brennkraftmaschine mit einer Hauptbrennkammer und einer mittels wenigstens eines Kanals mit dieser zur Beschickung mit Frischgasgemisch und zum Ausstoß brennender Gase verbundenen Hilfsbrennkammer sowie mit einer Zündkerze, deren Elektroden im Kanalbereich derart angeordnet sind, daß sie von dem aus der Hauptbrennkammer in die Hilfsbrennkammer strömenden Frischgasgemisch umspült sind, wobei im Kanalbereich gasströmungslenkende Mittel vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (13) als Schutz der im Kanal (10; 20) oder nahe dem Kanal (10; 20) außerhalb der Hilfsbrennkammer (9) angeordneten Elektroden (12a, 12a'^gegen das Umspulen durch die nach der Zündung aus der Hilfsbrennkammer (9) strömenden Gase ausgebildet sind.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (12a, 12a') in dem Kanal (10) angeordnet sind und daß die Mittel durch eine Ablenkeinrichtung (13) gebildet werden, die die Elektroden (12a, 12a',I gegen die brennende Gasströmung abschirmt.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinrichtung ein Vorsprung (13) an der Wand des Kanals (10) auf der der Hilfsbrennkammer (9) zugewandten Seite der Zündkerze (12) ist.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (20) aus zwei gegeneinander abgewinkelten Zweigen (20a, 20b) besteht und die Elektroden (12a, \2a') in einer Verlängerung des zur Hauptbrennkammer (6) führenden Zweiges (20a,) abgeschirmt vom zur Hilfsbrennkammer (9) führenden Zweig (20b) angeordnet sind.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei der Hauptbrennkammer (6) mit der Hilfsbrennkammer (9) verbindende, getrennte Kanäle (31, 32) vorgesehen sind, von denen der eine ein Einströmkanal (31) mit einer Einlaßvorrichtung (33) ist und die Elektroden (12a, 12a^enthält und der andere ein Ausströmkanal (32) mit einer Auslaßvorrichtung (34) ist.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Einlaßvorrichtung und Auslaßvorrichtung Richtungsventile (33 bzw. 34) sind.

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