DE2604442A1

DE2604442A1 - Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE2604442A1
Application number: DE19762604442
Authority: DE
Inventors: Masaaki Noguchi; Masaharu Sumiyoshi; Taro Tanaka; Yukiyasu Tanaka
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1975-09-01
Filing date: 1976-02-05
Publication date: 1977-03-10
Also published as: DD124397A5; CS209486B2; DE2604442B2; JPS5229511A; AU1078176A; FR2322263B1; SU579932A3; IT1055308B; PL106759B1; CA1041856A; FR2322263A1; GB1530636A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einer von einem Zylinder gebildeten Hauptbrennkammer, einem im Zylinder beweglichen Kolben, einem mit einem Einlasskanal versehenen Zylinderkopf und einer Zündkerze.

Es sind schon die verschiedensten Versuche unternommen worden, den Gehalt von Schadstoffen in den Auspuffgasen von Verbrennungsmotoren, speziell solchen für Kraftfahrzeuge, herabzusetzen. Eine Lösung dieses Problems besteht in einem Verbrennungsmotor, der eine Haupt- und eine Hilfsverbrennungskammer in jedem Zylinder aufweist, wodurch eine geschichtete Verbrennung eines Luft/Kraftstoffgemische stattfinden kann. Zum Zuführen des Luft/Kraftstoffgemische gibt es bei derartigen Motoren mehrere Lösungen. Von den Erfindern des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes wurde hierzu beispielsweise vorgeschlagen, das Luft/ Kraftstoffgemisch in die Haupt- und Hilfsverbrennungskamraern durch einen gemeinsamen Einlasskanal zuzuführen, so dass nur

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BERLIN: TELEFON (O3O) 8312O88
KABEL: PROPINDUS · TELEX O1 84OS7

MÜNCHEN: TELEFON (O89) 225585 KABEL: PROPINDUS · TELEX O524244

ORIGINAL INSPECTED

ein einziges Einlassventil vorgesehen ist, das die Zeitdauer der Luft/Kraftstoffzuführung in beide Zylinder steuert. Dieser Vorschlag ermöglicht einen verhältnismässig einfachen Aufbau der Anordnung,

Der Verbrennungsmotor der vorgenannten Art ist dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsverbrennungskammer mit einer Ansaugöffnung versehen ist, durch die sie während des Ansaugtaktes das Luft/Kraftstoffgemisch erhält. Sie weist weiterhin eine Auslassöffnung auf, durch die die Restgase nach der Verbrennung abgeleitet werden. Es ist auf diese Weise sichergestellt, dass die Restgase aus der Hilfsverbrennungskammer vollständig entfernt und die Hilfsverbrennungskammer vollständig mit frischem Luft/Kraftstoffgemisch gefüllt wird.

Der vorbeschriebene Motor kann auch so ausgestaltet sein, dass die Hilfsverbrennungskammer ein fetteres Luft/Kraftstoffgemisch erhält, als es zur Verbrennung in der Hauptbrennkammer notwendig ist. Hierzu ist der Motor mit einem separaten Kanal zur Zuführung des fetteren Luft/Kraftstoffgemische in die Hilfsbrennkammer ausgestattet. Dieser Kanal ist so angeordnet, dass er sich ebenfalls in den Ansaugkanal hinein öffnet, der zur Zuführung von magerem Gemisch zur Hauptbrennkammer dient* Man kann den Motor aber auch mit einer Einspritzdüse ausstatten, die im Ansaugkanal angeordnet ist.

Bei derartigen Motoren müssen jedoch das Volumen der Hilfsverbrennungskammer und die Querschnitte der Ansaug- und Auslassöffnungen in geeigneter Weise so gewählt sein, dass eine stabile Verbrennung des Luft/Kraftstoffgemische erreicht wird. Die Querschnitte der erwähnten Ansaug- und Auslassöffnungen der Hilfsverbrennungskammer müssen speziell so gewählt sein, dass die Restgase aus der Hilfsverbrennungskammer während des Ansaugtaktes des Motors vollständig aus der Hilfsverbrennungs-

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kammer entfernt werden. Die vollständige Entfernung der Restgase aus der Hilfsverbrennungskammer hat einen grossen Einfluss auf die Stabilität des Betriebs eines solchen Verbrennungsmotors« Wenn die Restgase nur unvollständig aus der Hilfsverbrennungskammer abgeführt werden, dann kann es zu Zündaussetzern des fetten Luft/Kraftstoffgemischs in der Hilfsverbrennungskammer kommen, was zur Folge hat, dass der Motor nicht stabil, d.h. gleichmässig arbeitet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Motor der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass bei geringstmöglichem Gehalt von schädlichen Stoffen in den Motorabgasen ein stabiler Betrieb des Motors möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass eine von der Hauptbrennkammer abgeteilte Sperrkammer vorgesehen ist, in der die Elektroden der Zündkerze angeordnet sind und die wenigstens eine Einlassöffnung und wenigstens eine in die Hauptbrennkammer führende Auslassöffnung aufweist, durch den ventilgesteuerten Einlasskanal Hauptbrennkammer und Sperrkammer mit Luft/Kraftstoffgemisch versorgt sind, das Sperrkammervolumen etwa 3 ⁰Jo bis 13 % des aus Sperrkammervolumen und Hauptbrennkammervolumen in OT-Stellung des Kolbens gebil» deten Gesamtvolumens beträgt, die Einlassöffnung der Sperr-

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kammer etwa 0,03 bis 0,15 cm Querschnittsfläche pro cnr Sperrkammervolumen und die Auslassöffnung der Sperrkammer

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etwa 0,024 bis 0,12 cm Querschnittsfläche pro cm Sperrkamme rvo lumen aufweisen.

Die Erfindung und weitere Ausgestaltungen sowie Ausführungsbeispiele und deren Vorteile sollen nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert werden. Es zeigen:

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Figo 1 als Teilansicht einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform der Erfindung;

Fig. k einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 5 bis 7 Diagramme über Versuche, die an erfindungsgemässen Motoren durchgeführt worden sind.

Die Figuren 1 und 2 zeigen einen Verbrennungsmotor gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einer Hauptbrennkammer 1 und einer Hilfsbrennkammer 2, die gewöhnlich als "Sperrkammer" bezeichnetwird. Eine Zündkerze 3 ist am Motor so angebracht, dass ihre Elektroden 3a in die Sperrkammer 2 ragen. Die Hauptbrennkammer 1 wird von einem Zylinder k gebildet, in welchem ein Kolben 5 beweglich geführt ist. Ein Zylinderkopf 6 ist oben am Zylinder k befestigt. Die Sperrkammer 2 wird von einer hohlen Patrone 7 umschlossen, die am Zylinderkopf 6 befestigt ist. Die Patrone 7 ragt in die Hauptbrennkammer 1 hinein und ist mit einer Ansaugöffnung 8 und einer Auslassöffnung 9 versehen, die an ihrem in die Hauptbrennkammer 1 ragenden Abschnitt ausgebildet sind. Die Ansaugöffnung 8, die die Zuführung von Luft/Kraftstoffgemisch während des Ansaugtaktes des Kolbens 5 in die Sperrkammer 2 ermöglicht, öffnet sich in die Hauptbrennkaamer 1 hinein auf der dem Einlasskanal 10 zugewandten Seite. Der Einlasskanal 10 mündet an der inneren Oberfläche des Zylinderkopfes 6 in die Hauptbrennkammer. Die Auslassöffnung 9 zum Abführen der Restgase aus der Sperrkammer 2 öffnet sich in die Hauptbrennkammer in Richtung auf den Kopf des Kolbens 5· Während des Verbrennungstaktes des

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Motors wirken sowohl die Einlassöffnung 8 als auch, die Auslassöffnung 9 der Sperrkammer 2 als Brenneröffnungen, aus denen Flammstrahlen schiessen.

In der Sperrkanuner 2 ist eine Trennwand 11 zwischen den Öffnungen 8 und 9 angeordnet. Im Zylinderkopf 6 ist ein Ansaug- oder Einlasskanal 12 ausgebildet, der nach unten in Richtung auf die Hauptbrennkammer 1 abgebogen ist. Die Einlassöffnung 8 der Sperrkammer 2 ist am innenseitigen Auslauf des äusseren Radius des gebogenen Teilstücks des Einlasskanals 12 angeordnet. In der Einlassöffnung 10 des Einlasskanals 12 ist ein Einlassventil 13 angeordnet, bestehend aus einem Ventilteller 13a und einem Ventilschaft 13b. Der Einlasskanal 12 führt Luft/Kraftstoffgemisch sowohl in die Hauptbrennkammer 1 und durch die Einlassöffnung 8 in die Sperrkammer 2, wenn das Einlassventil während des Ansaugtaktes des Kolbens 5 geöffnet ist. Es sei hier betont, dass während des Einströmens des Luft/Kraftstoffgemischs dieses im gebogenen Teilstück des Einlasskanals 12 einer Zentrifugalkraft unterworfen ist. Die Folge davon ist, dass eine fettere Luft/Kraftstoffkomponente radial nach aussen gedrängt wird. Diese Komponente fliesst im oberen Teil der Innenwand des nach unten gebogenen Teilstücks des Einlasskanals 12 und wird dann durch die Einlassöffnung 8 der Sperrkammer 2 zugeführt. Aussen am Einlasskanal 12 ist über ein Zwischenstück 14 ein Vergaser 15 angeschlossen.

Bei der vorbeschriebenen Ausführungsform der Erfindung wird das von einem einzigen Vergaser 15 gelieferte Luft/Kraftstoffgemisch durch einen einzigen Einlasskanal 12 während des Ansaugtaktes des Motors in die Hauptbrennkammer 1 und die Sperrkammer 2 eines jeden Zylinders k geleitete Die Zeitdauer der Gemischzuführung zu den beiden Kammern wird durch das Einlassventil 13 gesteuert. Auf die vorbeschriebene Weise findet dabei

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eine Aufteilung des Luft/Kraftstoffgemisehs in eine fettere Komponente und eine magerere Komponente statt, und zwar unter der Wirkung von Zentrifugalkräften, die innerhalb des gebogenen Abschnitts des Einlasskanals auftreten. Es kann auf diese Weise erreicht werden, dass der Sperrkammer 2 ein fettes Gemisch und der Hauptbrennkammer 1 ein mageres Gemisch zugeführt werden. Dies ist ein besonderer Vorteil der Erfindung, denn er lässt eine sehr einfache Konstruktion zu.

Während die beiden Komponenten in ihre jeweiligen Kammern eingeleitet werden, wird das Restgas aus der Sperrkammer 2 durch die Auslassöffnung 9 aufgrund der Pumpwirkung des Kolbens 5 während dessen Abwärtsbewegung abgezogen. Frisches fettes Luft/Kraftstoffgemisch kann daher in die Sperrkammer 2 gesaugt werden. Dabei wird innerhalb der Sperrkammer das fette Luft/ Kraftstoffgemisch im wesentlichen mittels der Trennwand 11 in die nähere Umgebung der Elektroden 3& der Zündkerze 3 geführt. Die Sperrkammer 2 wird auf diese Weise vollständig mit Hilfe des frischen Gemische von den Restgasen freigespült. Das Luft/ Kraftstoffgemisch, das anschliessend während des Verdichtungstaktes des Kolbens 5 verdichtet wird, wird dann von einem Zündfunken innerhalb der Sperrkammer 2 gezündet, woraufhin durch die Öffnungen 8 und 9 Flammstrahlen in die Hauptbrennkammer 1 schiessen, so dass die Verbrennung des mageren Luft/ Kraftstoffgemischs in der Hauptbrennkammer einsetzen und ablaufen kann. Auf diese Weise wird in jedem Zylinder k eine stabile Verbrennung des mageren Luft/Kraftstoffgemisehs erreicht. Die entstehenden Auspuffgase sind frei bzw. arm an schädlichen Bestandteilen.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Bei ihr ist ein Hauptvergaser 15A vorgesehen, der mit dem Einlasskanal 12 verbunden ist. Er erzeugt ein mageres Luft/ Kraftstoffgemisch für die Hauptbrennkammer 1„ Ein Hilfsvergaser 15B ist an einen Hilfseinlasskanal 20 angeschlossen und erzeugt

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ein fetteres Luft/Kraftstoffgemisch. als der Hauptvergaser 15A. Der Hilfseinlasskanal 20 ist im Zylinderkopf 6 dem Haupteinlasskanal 12 benachbart angeordnet und mündet mit seiner Öffnung 20a in den Haupteinlasskanal 12 in der Nachbarschaft von dessen Einlassöffnung 10«, Auf diese Weise kommt man, wie beim Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 und 2, mit nur einem einzigen Einlassventil 13 aus₀ Die Öffnung 20a des Hilfseinlasskanals 20 ist dabei der Einlassöffnung 8 der Sperrkammer benachbart ₉ so dass dieser das fette Luft/Kraftstoffgemisch zugeführt -wird. Die Auslassöffnung 9 der Sperrkammer 2 öffnet sich in Richtung auf den Kopf des Kolbens 5· Im übrigen ist die Wirkungsweise dieses Motors die gleiche wie die beim ersten Ausführungsbeispiel.

Fig. h zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, die derjenigen nach Fig. 1 sehr ähnlich ist. Ein entscheidender Unterschied gegenüber der erstgenannten Ausführungsform besteht aber darin, dass am Einlasskanal 12 kein Vergaser angeschlossen ist, sondern dieser reine Luft ansaugt und zur Kraftstoffzuführung eine Einspritzdüse 30 vorgesehen ist, die in den Einlasskanal 12 mündet. Die Einspritzdüse 30 sprüht ein fettes Luft/Kraftstoffgemisch in Richtung auf die Einlassöffnung 8 der Sperrkammer während des Ansaugtaktes des Kolbens 5· Die Einspritzdüse 30 wird elektromagnetisch gesteuert derart, dass Kraftstoff intermittierend eingespritzt wird. Es kann jedoch auch ein kontinuierlich einspritzender Typ verwendet werden.

Bei allen Ausführungsformen der Erfindung ist das Volumen der Sperrkammer ein bedeutender Faktor in Bezug auf eine optimale Verbrennung in der Hauptbrennkammer 1. Ebenso sind die Querschnitte der Einlass- und Auslassöffnungen 8 und 9 der Sperrkammer 2 von Bedeutung, weil diese von Einfluss auf die Flammstrahle sind, die sich aus der Sperrkammer 2 in die Hauptbrennkammer 1 ergiessen. Das Volumen der Sperrkammer 2 und die Quer-

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schnitte der Öffnungen 8 und 9 müssen daher so gewählt werden, dass eine optimale und stabile Verbrennung in der Hauptbrennkammer 1 stattfindet. Die Querschnittsgrösse der Einlassöffnung 8 ist fernerhin von Bedeutung für die vollständige Ausspülung der Sperrkammer 2 von den Restgasen. Das Querschnittsverhältnis zwischen der Einlassöffnung 8 und der Auslassöffnung 9 hat hierauf einen grossen Einflüsse Diese Zusammenhänge gehen aus den Diagrammen hervor, die in den Figuren 5 bis 7 dargestellt sind.

3 Für Versuche wurde ein Vierzylindermotor von 2000 cm Hubraum verwendete Jeder Zylinder war in der Art der Fig. 3 ausgebildet. Die Betriebsbedingungen waren wie folgt:

Drehzahl = 2000 u/min
Ansaugdruck = 240 mm Hg

Mittelwert des Luft/Kraftstoffverhältnisses der Luft/ Kraftstoffgemische in der Hauptbrennkammer und der Sperrkammer = 18

Die Qualität der Versuchsergebnisse wurde auf der Grundlage einer allgemeinen Bewertung der Messergebnisse folgender Grossen festgestellt: 1. Anteil von Schadstoffen in den Auspuffgasen, wie Stickoxide, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe, 2. Kraftstoffverbrauch und 3· Änderung der Verbrennung, die eine analoge Grosse zur Änderung des Drehmoments des Motors ist und ein Hinweis auf den Stabilitätsgrad des Betriebes des Motors ist.

In den Figuren 5 bis 7 markieren die kleinen Kreise, dass der Motorbetrieb am günstigsten ist, wenn der Gehalt von Schadstoffen in den Auspuffgasen klein, der Kraftstoffverbrauch gering und die Veränderung in der Verbrennung klein ist. Die Dreiecke geben die Werte an, bei denen der Motor noch gut bis befriedigend läuft, während die Kreuze Werte angeben, bei denen der Motor schlecht läuft.

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Fig. 5 zeigt die Ergebnisse von Versuchen, bei denen das Verhältnis zwischen dem Volumen Va der Sperrkammer 2 und dem Querschnitt Sin der Einlassöffnung 8 der Sperrkammer geändert wurde, während der Querschnitt Sd der Auslassöffnung 9 und das Volumen Va in einem konstanten Verhältnis zueinander gemäss der Gleichung Sd = O,O6 · Va gehalten wurden. Auf der Abszisse ist das Volumen der Sperrkammer 2 und auf der Ordinate der Querschnitt der Einlassöffnung 8 in Flussrichtung des Luft/Kraftstoffgemische aufgetragen.

Fig. 6 zeigt die Ergebnisse von Versuchen, bei denen das Verhältnis zwischen dem Volumen Va der Sperrkammer 2 und dem Querschnitt Sd der Auslassöffnung 9 verändert wurde, während das Verhältnis zwischen dem Querschnitt Sin der Einlassöffnung 8 und dem Volumen Va gemäss der Beziehung Sin = 0,06 · Va konstant gehalten wurde.

Fig. 7 wiederum zeigt die Ergebnisse von Versuchen, bei denen das Verhältnis zwischen den Querschnitten von Einlassöffnung und Auslassöffnung 9 verändert wurde, während das Volumen der Sperrkammer 2 bestimmte Grossen erhielt. In Fig. 7 ist auf der Abszisse das Verhältnis Sin/Va und auf der Ordinate das Verhältnis Sd/Va aufgezeichnet.

Aus den Figuren 5 bis 7 geht hervor, dass das Volumen Va der

3 Sperrkammer 2 vorzugsweise im Bereich zwischen 2 cm und 8 cm liegen sollte, der Querschnitt Sin der Einlassöffnung 8 im Bereich zwischen 0,03 Va und 0,15 Va und der Querschnitt Sd der Auslassöffnung im Bereich zwischen 0,024 Va und 0,12 Va liegen

2 sollte, hierbei jeweils die Querschnittsflächen in cm auf das

Volumen in cm bezogen. Hervorgehoben sei auch, dass das Verhältnis Sin/Sd im Bereich zwischen 0,8 und 2,2 liegen sollte, vorzugsweise im Bereich dicht oberhalb 1,0.

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Wichtig ist ausserdem das Volumenverhältnis zwischen der Sperrkammer 2 und der Hauptbrennkammer 1. In den Beispielen lagen die Verhältnisse zwischen den verschiedenen Volumina der Sperrkammer 2 und dem Gesamtvolumen aus Hauptbrennkammer 1 und Sperrkammer 2, das sich ergibt, wenn der Kolben 5 ³^¹ seinem oberen Totpunkt (οτ) sich befindet, im Bereich zwischen 0,03 und 0,13· Dieser Bereich hat sich als ein bevorzugter Bereich herausgestellt, der bei der Konstruktion eines erfindungsgemässen Motors eingehalten werden sollte₀

Es wurde auch gefunden, dass die obigen Ergebnisse auch bei Verbrennungsmotoren nach den anderen oben genannten Ausführungsbeispielen angewendet werden konnten.

Durch geeignete ¥ahl des Volumens der Sperrkammer und der Querschnitte ihrer Öffnungen kann eine saubere und stabile Verbrennung eines mageren Luft/Kraftstoffgemischs bei sparsamem Kraftstoffverbrauch erreicht werden« Man kann an der Sperrkammer 2 auch mehrere Einlass- und Auslassöffnungen vorsehen. In diesem Fall muss der Gesamtquerschnitt dieser Öffnungen jeweils den oben genannten Bedingungen genügen.

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Claims

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Ansprüche

1J Verbrennungsmotor mit einer von einem Zylinder gebildeten Hauptbrennkammer, einem im Zylinder beweglichen Kolben, einem mit einem Einlasskanal versehenen Zylinderkopf und einer Zündkerze, dadurch gekennzeichnet, dass eine von der Hauptbrennkammer (i) abgeteilte Sperrkammer (2) vorgesehen ist, in der die Elektroden (3a) der Zündkerze (3) angeordnet sind und die wenigstens eine Einlassöffnung (8) und wenigstens eine in die Hauptbrennkammer (1) führende Auslassöffnung (9) aufweist, durch den ventilgesteuerten Einlasskanal (12) Hauptbrennkammer (1) und Sperrkammer (2) mit Luft/Kraftstoffgemisch versorgt sind, das Sperrkammervolumen etwa 3 °/> bis 13 "k des aus Sperrkammervolumen und Hauptbrennkammervolumen in OT-Stellung des Kolbens (5) gebildeten Gesamtvolumens beträgt, die Einlassöffnung (8) der Sperrkammer (2) etwa 0,03 bis 0,15 cm Querschnitts-

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fläche pro cm Sperrkammervolumen und die Auslassöffnung

ο (9) der Sperrkammer (2) etwa 0,024 bis 0,12 cm Querschnitts·

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fläche pro cm Sperrkammervolumen aufweisen.
2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Offnungsquerschnitte von Einlassöffnung (8) und Auslassöffnung (9) der Sperrkammer (2) im Bereich zwischen 0,8 und 2,2 liegt.
3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrkammer (2) mit einer Trennwand (11) zwischen der Einlassöffnung (8) und der Auslassöffnung (9) versehen ist.

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4. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3_f dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasskanal (12) im Zylinderkopf (6) einen horizontal verlaufenden Abschnitt und im Bereich der Einlassöffnung (1O) in die Hauptbrennkammer (i) einen gebogenen Abschnitt aufweist und die Einlassöffnung (8) der Sperrkammer (2) dem Aussenradius am zylinderseitigen Ende des Einlasskanals (12) benachbart ist.
5. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass im Zylinderkopf neben dem Einlasskanal (12) ein Hilfseinlasskanal (20) zum Zuführen eines fetten Luft/Kraftstoffgemischs vorgesehen ist, der sich im Bereich des Einlassventils (13) in den Einlasskanal (12) an einer der Einlassöffnung (8) der Sperrkammer benachbarten Stelle öffnet.
6. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3t dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasskanal (12) als Luftansaugkanal ausgebildet ist und in ihm eine Kraftstoffeinspritzdüse (30) angeordnet ist«
7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzdüse (30) so angeordnet ist, dass sie den Kraftstoffstrahl gegen die Einlassöffnung (8) der Sperrkammer (2) richtet»

Kö/Rc

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