DE2633904C2

DE2633904C2 - Ausschließlich mit Magergemisch betriebene gemischverdichtende fremdgezündete Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2633904C2
Application number: DE2633904A
Authority: DE
Inventors: Junichi Ono; Akira Toyonaka Osaka Shimura; Yukiyasu Okazaki Aichi Tanaka
Original assignee: Daihatsu Kogyo KK
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 1975-08-16
Filing date: 1976-07-28
Publication date: 1982-11-11
Also published as: IT1066516B; JPS5245843B2; CA1053103A; FR2321594A1; AU1536176A; US4092969A; FR2321594B1; JPS5224608A; AU504200B2; DE2633904A1; GB1549020A

Description

Die Erfindung betrifft eine ausschließlich mit Magergemisch betriebene gemischverdichtende fremdgezündcte Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf, der eine mit einer Zündkerze Versehene venllllose Vorkammer und eine als Hauptbrennraum dienende Vertiefung aufweist, deren Umfangsllnle zwischen dem Einlaßventil und dem Auslaßvenll der Mittelachse der Zyllnderbohr g am nächsten kommt, um zwischen dem Zyllnderkopfboden und dem Kolbenboden eine Quetschfläche zu bilden, wobei die Vorkammer In dem Zylinderkopf außerhalb der Mittelachse der Zylinderbohrung angeordnet Ist und über mindestens zwei dem Flammenausstoß In den Hauptbrennraum dienende Öffnungen mit dem Hauptbrennraum verbunden Ist, deren Mittellinien einen unter dem Teller des geschlossenen Einlaß- bzw. Auslaßventlls gelegenen Bereich des Kolbenbodens In der oberen Totpunktstellung des Kolbens durchsetzen, wobei die eine öffnung gegen die vom Teller des Einlaßventils geleitete und In den Hauptbrennraum alndrlngen.de Magergemischströmung gerichtet Ist und die größte

Querschnittsfläche aller Öffnungen aufweist (siehe DE-OS 24 17 838).

Die Brennstoffzuführeinrichtung für fremdgezündete Brennkraftmaschinen wird Üblicherwelse so ausgeführt, um dem Brennraum ein Gemisch mit einem Luft-Brenn-

2ö sioffverhäiinis (nachfolgend A/F genannt) von 11 bis !5 zuzuführen.

Da jedoch die Vergiftung der Atmosphäre wegen der Im Auspuffgas enthaltenen Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickstoffoxid zu ernsten Schwierigkelten führte, wurden Brennkraftmaschinen entwickelt, die zum Betrieb mit Mageigemlsch geeignet sind, das soviel überschüssige Luft enthält, um die Emission der vorstehend genannten Giftstoffe weltgehend zu unterdrücken
In der jüngeren. Vergangenheit sind Brennkraftmaschlnen einer Bauart entwickelt worden, bei denen ein mageres Gemisch mittels einer Flammfackel gezündet wird, die durch Verwendung eines verhältnismäßig fetten Gemisches erzeugt wird, was folgende Vorteile bietet:

1. Durch die Verwendung eines fetten Gemisches ist es einfach, ein Gemisch zur Erzeugung einer Flammfackel bereitzustellen, die mit einer Zündkerze zuverlässig gezündet werden kann;

2. der Energiepegel der Flami..fackel Ist hinreichend hoch; und

3. die Brenndauer der Flammfackel Ist lang.

Diese Entwicklung hat zu Brennkraftmaschinen geführt, bei denen zusätzlich zu einer Brennstoffzuführeinrichtung für ein mageres Gemisch noch eine Brennstoffzuführelnrlchtung für ein fettes Gemisch vorgesehen Ist. Der Aufwand, der für die Bereitstellung einer solchen doppelten Brennstoffzuführeinrichtung getrieben werden muß. Ist jedoch Im Hinblick auf die Konstruktion, die Wartung und die Wirtschaftlichkeit sehr hoch. Ausführungsbeispiele derartiger Brennkraftmaschinen, bei denen

so In der Vorkammer ein Ventil angeordnet ist, sind In der DE-OS 23 31 560 und In der DE-PS 11 71 670 beschrieben.

Bei einer In der DE-OS 24 17 838 beschriebenen Brennkraftmaschine der eingangs genannten Bauart dient die besondere Ausbildung der Vorkammer zur Erzielung eines verhältnismäßig fetten Gemisches aus einem mageren Gemisch. Bei dieser bekannten Brennkraftmaschine strömt das Mögergemisch an einer gekrümmten Fläche einer taschenartigen Vorkammer entlang, so daß am

Boden der Tasche Unter dem Einfluß der auf die Brennstoifpartlkel einwirkenden Fliehkraft ein Verhältnismäßig fettes Gemisch erhalten wird. Dies setzt eine verhältnismäßig große Strömungsgeschwindigkeit des Magergeml· sches voraus, weshalb die als Ein- und Auslaßöffnung

der laschenartigen Vorkammer dienenden Öffnungen eine große Querschnlttsfläche haben müssen und keine scharfen Kanten aufweisen dürfen. Die beiden Öffnungen sind daher vorzugsweise konisch ausgebildet. Die

Auslaßöffnung der Vorkammer dieser bekannten Brennkraftmaschine bewirkt demzufolge keine gebündelte Flammfackel, der sich eine geometrisch eindeutige Mutelachse zuordnen ließe. Die aus der taschenartigen Vorkammer austretende Flammfackel bewegt sich Im wesentlichen längs der Wand des Hauptbrennraums. Wie die Erfahrung gezeigt hat, läßt sich mit einer solchen ungebündelten Flammfackel das Im Brennraum vorhandene Gemisch, Insbesondere magere Gemisch aber nicht so zum Durchbrennen bringen, daß eine nahezu voliständlge Verbrennung vorliegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Brennkraftmaschine dahingehend weiterzubilden, daß die vollständige Verbrennung des Magergemlschs Im Hauptbrennraum gewährleistet 1st.

Die Lösung dieser Aufgabe Ist !m Anspruch 1 angegeben, sie besteht In der Kombination der Merkmale aus diesem Anspruch.

In diesem Zusammenhang wird erklärt, daß ein Patentschutz nur für die Kombination aller Merkmale aus dem Anspruch 1 begehrt wird.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des die Vorkammer und die als Hauptbrennkammer dienende Vertiefung aufweisenden Zylinderkopfes wird erreicht, daß die von der Quetschfläche verursachte Gemischströmung mit den Flammfackeln zusammenwirkt und die Flammfortpflanzung verbessert, so daß eine vollständige Verbrennung des Magergemischs Im Hauptbrennraum gewährleistet Ist

Bei der In der bereits erwähnten DE-PS 1171670 beschriebenen Brennkraftmaschine Hegen die Mitteln nlen der beiden Öffnungen der Vorkammer in einer zur Zylinderachse rechtwinkligen Ebene, die Im Abstand über der Quetschfläche angeordnet Ist. Die durch die Quetschfläche verursachte Ge.nlschströmung strömt daher unter den Flammfackeln vorbei, ohne diese zu beeinflussen.

Bei der Brennkraftmaschine nach der gleichfalls eingangs erwähnten DE-OS 23 31 560 ist die Öffnung der Vorkammer In der Ebene der Quetschfläche angeordnet, und Ihre Mittellinie Ist zur Zylinderachse hin stell nach unten geneigt. Ein Zusammenwirken der durch die Quetschfläche bewirkten Gemischströmung mit der Flammfackel kommt daher nicht zustande.

Ein Ausführungsbslsplel Ist in e'er Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:

Flg. 1 eine Unteransicht eines Zylinderkopfes einer herkömmlichen Brennkraftmaschine, die nicht mit Magergemisch betrieben wird.

Flg. 2 eine Unteransicht eines Zylinderkopfes der aus- so fuhrungspemäßen Brennkraftmaschine, die ausschließlich mit Magergemisch betrieben wird.

Flg. 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 in Flg. 2,

Flg. 4 eine Daistellung zur Erläuterung der Beziehung zwischen dem Kolben und den Richtungen der Flammfackeln bei der ausführungsgemäßen Brennkraftmaschine,

Flg. 5 eine perspektivische Darstellung eines anderen Zylinderkopfes einer ausführungsgemäßen Brennkraftmaschine,

FIg, 6 einen Schnitt durch den In Flg. 5 gezeigten Zylinderkopf, wobei der Schnitt durch die Vorkammer zur Erzeugung der Flammfackeln Und durch das Einlaßventil gelegt Ist,

Flg. 7 eine Unteransicht des In den Flg. 5 und ö gezeigten Zylinderkopf^,

FIg, 8 eine Darstellung ähnlich wie FIg.4 für den Zylinderkopf nach den Flg. 5, 6 Und 7,

Flg. 9 und 10 Unteransichten zur Erläuterung von an den Zylinderküken vorgesehenen Turbulenz-Quetscftflächen,

Flg 11 und 12 eine perspektivische Darstellung und eine Oberansicht der in den Fig. 5, 6 und 7 gezeigten Vorkammer,

Flg. 13 und 14 Schnitte nach der Linie 13-13 und 14-14 in Flg. 12,

FIg. 15 einen Schnitt, der dte Vorkammer zusammen mit dem Zylinderkopf zeigt,

Fig. 16 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Gehalt an Kohlenwasserstoffen In den Auspuffgasen und dem Luft-Brennstoffverhältnis zeigt, und

Flg. 17 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Belastungsänderung und dem Luft-Brennstoffverhältnls zeigt.

In Flg. 1 Ist ein Zylinderkopf 1 eines herkömmlichen Motors gezeigt, der mit einem Gemisch mit einem Luft-Brennstoffverhältnls A/F von 11 bis 15 betrieben wird. In dieser Figur sind eine Brennka-ünervenlefung 2 mit einem Umriß 3, ein Einlaßventil 4 und ein Auslaßventil 5 zusammen mit einer Zylinderbohrung gezeigt. Die Zylinderbohrung ist durch eine strichpunktierte Linie veranschaulicht. Zunächst 1st die Form der Brennkammervutlefung zu beachten. Die Umrißlinie 3 Ist eingeschnürt und hat vorspringende Bereiche 6, 7 zwischen dem Einlaßventil 4 und dem Auslaßventil 5. Diese vorspringenden Bereiche 6, 7 sind vorgesehen, um das erforderliche Verdichtungsverhältnis zu erzielen. In der jüngsten Vergangenheit bestand eine Bestrebung nach einer Beseitigung eines der vorspringenden Bereiche 6, 7 aus einem anderen Grund, um das Flächen-Volumenverhältnls klein zu machen.

Die zwischen dem Zylinderkopf und der Oberseite des Kolbens ausgebildete Brennkammer hat ebene Bereiche 8, 9 die Infolge der vorspringenden Abschnitte 6, 7 am Ende des Kompressionshubs starke Quetsch- und Turbulenzwirkungen verursachen. Die Form des die Bereiche 8, 9 bildenden Zylinderkopfs 1 unterteilt die Brennkammer in die nachfolgend genannten beiden Teile, die beachtliche Unterschiede voneinander hinsichtlich der Geschwindigkeit der Volumenänderung aufweisen, soweit ein Bereich des Kurbelwellenwlnkei? von O₁, bei dem die Verbrennung des Gemlschs beginnt, bis zu einem Kurbelwellenwinkel O₂ betroffen 1st, bei uem die Verbrennung des Gemlschs Im wesentlichen abgeschlossen Ist.

Erster Teil:

Der Teil mit dem Volumen V zwischen der Brennkammervertiefung 2 In dem Zylinderkopf und der dieser gegenüberliegenden Obsrfläche des Kolbens.

Zweiter Teil:

Der Teil mit dam Volumen Y zwischen den ebenen Bereichen 8, 9, die nachfolgend als Quetschfiächen bezeichnet werden, In dem Zylinderkopf und der diesen gegenüberliegenden Oberfläche des Kolbens.

Das Volumen ν des zweiten Teils Ist selbst bei dem vorstehend genannten Kurbelwellenwinkel 9_} nur 0,05 V oder weniger, Der erste Teil Ist nochmals in zwei Teile unterteilt. Der eine Ist der Teil mit dem Volumen K₁, der hauptsächlich dem Einlaßventil gegenüberliegt, und der andere Ist der Teil mit dem Volumen K₂, der hauptsachlich dem Auslaßventil gegenüberliegt.

Angesichts der vorstehenden Ausführungen Ist der ausführungsgemäße Motor mit einer Hllfsbrennkammer 20 zur Erzeugung von Stichflammen versehen, wie dies

In Flg. 2 gezeigt lsi. Diese Hllfsbrennkammer wird nachfolgend als Vorkammer bezeichnet. Die Vorkarr er 20 Ist an einer von der Mittellinie O der Zylinderbohrung 21 abweichenden Stelle angeordnet, und sie 1st mit mehre' ren öffnungen versehen, um unter bestimmten Bedlri· gungen, die nachfolgend hoch erläutert werden, Stichflammen auszustoßen.

Bei dem In Flg. 2 gezeigten Zylinderkopf 22 Ist wegen des Einbaus der Vorkammer 20 ein ziemlich großer Anteil der einen der In Flg. I gezeigten Quetschflächen 9 verlorengegangen, die andere der In Flg. 1 gezeigten Quetschflächen 8 Ist jedoch so wie sie Ist erhalten geblieben und mit dem Bezugszeichen 23 bezeichnet Mit 24 Ist ein Einlaßventil bezeichnet und mit 25 Ist ein Auslaßventil bezeichnet. Der dem Teil mit dem Volumen V₁ entsprechende Teil unt der dem Teil mit dem Volumen V₂ entsprechende Teil, die Im Fall des herkömmlichen Motors eriauien wurden, wird nachfolgend ai> der eräic Teil S| der Brennkammer bzw. als der zweite Tell S₁ der Brennkammer bezeichnet. Der erste Tell S₁ Hegt hauptsächlich dem Einlaßventil 24 gegenüber, und der zweite Tell S₂ Hegt hauptsächlich dem Auslaßventil 25 gegenüber. Ferner wird der dem Teil mit dem Volumen ν entsprechende Teil, der die Turbulenzfläche betrifft, als dritter Teil s der Brennkammer bezeichnet (siehe Flg. 5). Die Vorkammer 20 Ist mit einer Öffnung 28 versehen, die eine In einer Ebene X-X liegende Stichflamme ausstößt, und ferner mit einer Öffnung 29 versehen, die eine In einer Ebene Y-Y liegende Stichflamme ausstößt. Diese Ebenen X-X und Y-Y sind zu der Mittellinie 0 der ZyIInderbohrung 21 parallel. Die aus den öffnungen 28, 29 austretenden Stichflammen werden nachfolgend als „erste Stichflamme" bzw als „zweite Stichflamme" bezeichnet. Die durch die erste Stichflamme bewirkte Gasströmung durchströmt den ersten Tell S₁ der Brennkammer, und die durch die zweite Stichflamme bedingte Gasströmung durchströmt den zweiten Tell S₂ der Brennkammer. Die Ebene X-X Ist eine solche, die den S₂ der Brennkammer mit nahezu größtmöglicher Erstrekkung durchsetzt, und andererseits Ist die Ebene Y-Y eine -to solche, die den Tell S₂ der Brennkammer mit nahezu größtmöglicher Erstreckung durchsetzt. Wie dies In den Fig. 2 und 7 gezeigt Ist, Ist der Abstand zwischen dem Zentrum des Tellers des Einlaßventils 24 und der Ebene X-X klein. In ähnlicher Welse ist der Abstand zwischen dem Mittelpunkt des Tellers des Auslaßventils 25 und der Ebene Y-Y klein. Mit anderen Worten, die Ebene X-X Ist nahe dem Mittelpunkt des Tellers des Einlaßventils 24, und die Ebene Y-Y Ist nahe dem Mittelpunkt des, Tellers des Auslaßventils 25.

Die durch die Stichflamme bedingten Gasströmungen sind gegen die kleinen Flächen der Oberseite 27 des Kolbens 26 gerichtet. Diese Flächen verändern sich mit der Bewegung des Kolbens 26. In Flg. 4 bezeichnen die Punkte P₁ und P₂ die Fischenmittelpunkte auf der Seite der ersten Stichflamme, und die Punkte Q_x und Q₂ bezeichnen die Flächenmittelpunkte auf der Seite der zweiten Stichflamme. Die Verbrennung des mageren Gemischs Ist näherungsweise bei einem Kurbelwellenwinkel von 30° nach dem oberen Totpunkt beendet. Die Punkte P₂ und Q₂ sind diejenigen, die dem vorstehend genannten Kurbelwellenwinkel nach dem oberen Totpunkt entsprechen.

Die erste Stichflamme und die zweite Stichflamme leisten Ihren Anteil an der Verbrennung des mageren Gemischs In den Teilen S₁ und S₂ infolge ihrer Richtungen, die In der vorstehend beschriebenen Weise gewählt sind. Infolge dieser Aufteilung erfolgt die Fortpflanzung der Flamme In der Brennkammer derart, daß sie jeden und alle Punkte der Bennkammer ohne Überwindung langer Strecken erreicht. Die Verringerung der Strecke der Flammenfortpflanzung bewirkt eine Steigerung des thermischen Wirkungsgrades des Motors, und das Ist der erste Vorteil, der durch die besondere Vorkammer 20 hervorgerufen wird. Der zweite Vorteil besteht darin, daß, obgleich die durch die Zündung des mageren Gemischs erzeugten ersten und zweiten Stichflammen verhältnismäßig schwach sind, sie sich gegenseitig unterstützen können, so daß bei einer Verringerung der Energie der einen Stichflamme die andere Stichflamme einen Ausgleich bewirken kann

Die vorstehend genannte Aufteilung dient auch zur Verhinderung von Drehmomentschwankungen. Wenn die Verbrennung Im Motor eines Kraftfahrzeugs nicht gleichmäßig abläuft, so kommt es zu Schwankungen des Drehmoments, die sich auf den Fahrkomfort nachteilig auswirken. Das Auftreten derartiger Schwankungen des Drehmoments kann einem Motor der Doppelgemlsch-Bauart nachgesagt werden, der mit einer Vorkammer ausgerüstet Ist, die nur eine öffnung aufweist. Es ist daher nützlich, die Vorkammer dieser Motorenbauart In der gleichen Welse mit einer ersten und einer zweiten öffnung zu versehen, wie dies vorstehend erläutert wurde.

Cu; anhand der FIg 2 und 3 erläuterten Stichflammen, die von der ersten und der zweiten Öffnung 28 und

29 ausgehen, sind gegenüber der Mittellinie 0 der Zylinderbohrung stark geneigt und erreichen die Oberseite 27 des Kolbens 26 durch den dem Einlaßventil 24 und dem Auslaßventil 25 gegenüberliegenden Hauptbrennraum. Demzufolge Ist der Einfluß der ersten und zweiten Stichflamme auf denjenigen Bereich, der unmittelbar unter und hinter der Vorkammer 20 Hegt, möglicherweise etwas schwach. Eine mit einer diesen Punkt kompensierenden dritten Öffnung 30 versehene Vorkammer 20 Ist In den Flg. 5 bis 7 gezeigt. Die Flächenmittelpunkte auf der Oberseite 27 des Kolbens 26, auf die durch die Stichflammen bedingte Strömungen gerichtet sind, sind In Fig. 8 gezeigt. Die Punkte R, und R₂ in dieser Figur entsprechen der aus der dritten öffnung 30 austretenden Stichflamme. Die Querschnittsfläche der dritten Öffnung

30 Ist klein In Anbetracht der Lage und des Volumens des Raums Innerhalb der Brennkammer, den sie einnimmt, und die Richtung Ihrer Mittellinie 1st nahezu parallel zu der Mittellinie der Zylinderbohrung. Zwischen den Querschnlttsflächen A,, A₂ und α der ersten, zweiten und dritten Öffnung 28, 29 und 30 besteht die Beziehung A_x > A₂> o. Die Beziehung A\ > A₂ Ist gewäl.t, um den Spülwlrkungsgrad der Vorkammer 20 zu steigern. Dieser Ponkt wird nachfolgend noch erläutert.

Die Wirkung der Turbulenz-Quetschfläche 23 1st wichtig. Diese Fläche 23 erzeugt während des Verdichtungshubs des Kolbens 26 Im Brennraum zahlreiche Mlkrowirbel. Diese Infolge der Quetschwirkung der Fläche 23 erzeugten Mlkrowlrbel vergrößern die Flammenfortpflanzungsgeschwindigkeit In der Brennkammer. V/ie dies vorstehend erläutert wurde, teilen sich zwei Stichflammen die Teile S₁ und S₂ der Brennkammer. Die Verbrennung von magerem Gemisch In der Brennkammer Ist Infolge der erwähnten Aufteilung der Teile S₁ und S₂, der Erzeugung der Mlkrowirbel und einer nachfolgend noch erläuterten Strömung von Verbrennungskeimen In den Teil s der Brennkammer In einer relativ kurzen Zeit abgeschlossen.

Der Teil s der Brennkammer Ist ein solcher, In dem eine starke Quetschwirkung Infolge der Quetschfläche 23

auf dem Zylinderkopf ί stattfindet. Es Ist bekannt, daß die Intensität dieser Quelschwlrkung nahe einem Kurbelwinkel von 20° vor dem oberen Totpunkt ihr Maximum erreicht und Null wird, wenn der Kolben den oberen Totpunkt erreicht. Die Volumenänderung des Teils s findet während des Explosionshubs In einer entgegengesetzten Röstung statt. Das heißt, das Volumen des Teils s vergrößert sich am schnellsten nahe einem Kurbelwinkel von 20° nach dem oberen Totpunkt, infolge dieser raschen Volumenänderung findet eine Gasströmung statt, so daß ein Anteil der Verbrennungskeime In den Teilen S₁ und S₂ In den Teil s transportiert wird Demzufolge kann das magere Gemisch In der Brennkammer nicht nur In den Teilen S, und S₁, sondern auch In dem Teil s mit geringer Verzögerung gezündet werden.

Wie dies vorstehend erläutert wurde, geht Im Fall des In Flg. 2 gezeigten Zylinderkopfs ein beachtlich großer Teil der In FIe. 1 gezeigten Quetschfläche 9 verloren, und die verbleibende Fläche Ist klein. Obgleich diese Fläche verhältnismäßig klein Ist, Ist sie von Vorteil für die ersten und zweiten Stichflammen, well eine Gemischströmung Infolge der Quetschwirkung dieser Fläche verbleibt, weiche die Aussendung der Stichflammen unterstützt.

Die Umrlßllnle 32 der Brennkammeraussparung Im Zylinderkopf 31 Ist zwischen dem Einlaßventil 24 und dem Auslaßventil 25 nach Innen verlagert, so daß die Quetschfläche 23 gebildet werden kam. Hinsichtlich des Ausmaßes der Verlagerung gibt es zwei Fälle. Der eine F"M Ist in Flg. 9 gezeigt, und der andere Fall Ist In FIg 10 gezeigt. Die In Flg. 9 gezeigte Umrlßllnle 32 hat einen eingezogenen Inneren Bereich, wogegen die In Fig IO gezeigte Umrlßllnle 32 keinen Innenliegenden Bereich hat In diesen Figuren 1st der Mittelpunkt der Vorkammer 20 mit O₁ bezeichnet, der Abstand vom Mittelpunkt O, bis zu einem Punkt C auf der Umrlßllnie 32 Ist mit r bezeichnet, der größtmögliche Wert von r 1st mit R₁ bezeichnet, der nach /?, größte Wert von r ist mit R₂ bezeichnet, und die Schnittpunkte zwischen den Ebenen X-X, Y-Y und der UmrlBIInle 32 sind mit M_x und M₂ bezeichnet. Die Größe der In Fig. 9 gezeigten Turbulenzfläche 23 Ist größer als die In Flg. 10 gezeigte Turbulenzfläche 23.

Wenn ein mageres Gemisch In dffi Vorkammer eingeleitet wird, so Ist es notwendig, die Temperatur des Gemlschs zu steigern, so daß die Zündung mittels einer Zündkerze zuverlässig stattfindet. Im Falle der Brennstoffzuruhrart, bei der ein fettes Gemisch In die Vorkammer eingeleitet wird. Ist es möglich, das endgültige Luft-Brennslofrverhältnls A/F in der Vorkammer so einzustellen, daß das Gemisch mit einer Zündkerze leicht gezündet wird. Im Fall eines Motors, der mit einem mageren Gemisch (beispielsweise einem mageren Gemisch, das auf ein Luft-Brennstoffverhältnis A/F von 17 bis 18 eingestellt Ist) betrieben wird, besteht diese Möglichkeit nicht. Die Vorxammer sollte daher In der Lage sein, die Temperatur eines Magergemlschs auf einen Wert zu steigern, bei der eine saubere Zündung mit einer Zündkerze möglich Ist. Weiterhin Ist die Spülwirkung und die Zuführung der Flamme wichtig.

Die Vorkammer 20 Ist so ausgebildet, daß sie die Temperatur des Magergemlschs erhöht, und sie 1st auch hinsichtlich anderer Gesichtspunkte, die nachfolgend erläutert werden, ausgebildet. Die Form der Vorkammer 20 Ist In den Flg. 11 bis 14 gezeigt. Wie In diesen Figuren gezeigt Ist, Ist die Vorkammer 20 ein dickes, becherförmiges Bauteil, das aus einem kugelförmigen Kopfbereich 40 besteht, der In einen zylindrischen Rumpfbereich 41 Übergeht. Der kugelige Kopfberelch 40 Ist besonders dick ausgeführt, und die Öffnungen 28, 29 und 30 sind In diesem Bereich angeordnet. Die Vorkammer 20 Ist In den Zylinderkopf 22 eingesetzt, wobei der gesamte oder der größere Teil des Kopfberelchs 40 In die Brennkammervertiefung 31 hineinragt.

Zur Vcranschaullchung des ausfühfungsgemäßen Motors werden nachfolgend als Beispiel einige Daten genannt:

Verdrängungsvolumen eines Zylinders

Durchmesser der Zylinderbohrung 21

Volumen der Vorkammer 20

Dicke des Kopfberelchs 40 der

Vorkammer 20 ungefähr

Dicke des zylindrischen Rumpfbereichs 41

der Vorkammer 20 ungefähr

300 cm'

75 mm

3,5 cm'

3,0 mm 2,5 mm

Die Dicke des Kopfberelchs 40 und die Dicke des Rumpfbereichs 41 sind deshalb unterschiedlich ausgelegt, damit der Wärmeverlust durch den Rumpfabschnitt 41 verringert wird, so daß eine hinreichend große Wärmemenge In dem der Brennkammer ausgesetzten Kopfberelch 40 gesammelt wird. Selbst wenn die genannten Dickenabmessungen gleich sind, dann kann der Wärmeverlust durch Anbringung eines Schlitzes oder einer Wärmelsolatlonsschlcht verringert werden. Die Dicke des Kopfberelchs 40 betrifft die Flächen der Seltenwände der Öffnungen 28, 29 und 30, und wenn diese Dicke gestelgert wird, dann Ist es möglich, eine große Wärmemenge an das Magergemisch zu übertragen, wenn dieses In die Vorkammer 20 eindringt. Die Vergrößerung der Dicke des Kopfberelchs 40 erbringt auch noch einen anderen Vorteil, indem die Richtung der durch die Öffnungen 28, 29, 30 austretenden Stichflammen genau bestimmt werden kann.

Eine Zündkerze 42 mit einer Funkenstrecke 43 Ist Im Rumpfbereich 41 der Vorkammer 20 angeordnet. Im Verhältnis zu der Lage der Funkenstrecke 43 Ist die Vorkammer 20 verhältnismäßig flach ausgebildet, und -'^!.as Verhältnis zwischen dem Innendurchmesser D des Rumpfbereichs 41 und der maximalen Tiefe H des Innenraums 1st so gewählt, daß D größer als H Ist, das heißt, daß die Gleichung D/H> 1 erfüllt 1st.

Zum Zünden eines mageren Gemlschs mit der Zündkerze 1st es wichtig, das Gemisch zu erhitzen und die Vorkammer 20 mit dem mageren Gemisch hinreichend zu spülen, das durch eine Einlaßöffnung zugeführt wird. Im Hinblick auf diesen Gesichtspunkt Ist unter den drei Öffnungen 28, 29 und 30 eine öffnung 28 In der Querschnittsfläche größer ausgebildet als die anderen öffnungen 29 und 30. Diese öffnung 28 Ist neben dem Einlaßventil 24 angeordnet, und sie Ist ferner gegen eine Strömung von Magergemisch ausgerichtet, die In die Brennkammer eingeleitet wird, während sie vom Teller des Einlaßventils 24 geleitet wird. Die Richtung der Öffnung 28 unterliegt solchen einschränkenden Bedingungen, wie sie bereits unter Bezugnahme auf die Flg. 2 bis 10 erläutert wurden. Es besteht jedoch ein zulässiger Bereich für diese Einschränkungen. Das heißt, die Ebenen X-X und Y-Y können In einem Bereich von ± 10° oder vorzugsweise in einem Bereich von ± 5° schwanken. Weiterhin besteht ein verhältnismäßig großer Raum für das Einsetzen der Vorkammer 20.

Es Ist daher möglich, eine öffnung 28 vorzusehen, durch die zum Spülen eine Magergemischströmung eingeleitet werden kann. Die anderen öffnungen 29 und 30 sind solche, durch die das Magergemisch zum Spülen

ausströmt, und sie sind In solchen Richtungen angeord net, die nicht der Magergemlsc'· römung zugekehrt sind.

Die Anzahl der vorstehend erläuterten Öffnungen beträgt zwei oder drei. Anstelle der dritten Öffnung können aber zwei Öffnungen vorgesehen sein, so daß die Gesamtzahl uer Öffnungen vier beträgt.

Es besteht ein passendes Verhältnis zwischen der Gesamtfläche der Öffnungen und dem Volumen der Vorkammer. Dieses Verhältnis sollte In dem Bereich von 0,14 bis 0,3 cmVcrn³ liegen. Wenn die Vorkammer mit drei öffnungen versehen 1st, und d'e Durchmesser dieser öffnungen auf 7 mm, 5,5 mm und 4 mm festgelegt sind, und wenn ferner das vorstehend genannte Verhältnis auf 0,214 festgelegt wird, so kann ein Motor erhalten werden, bei dem eine gewünschte Verbrennung In der Brennkammer stattfindet.

Es Ist notwf, idlg, darauf zu achten, daß die hauptsächliche Wärmeströmung von der Vorkammer 20 nicht über die Zündkerze 42 erfolgt, selbst wenn die Wärmeströmung von der Vorkammer 20 zum Zylinderkopf 22 In der vorstehend beschriebenen Welse unterdrückt wird, well die Temperatur des Kopfbereichs 40 der Vorkammer 20 besonders hoch Ist.

Die Magergrenze des Gemlschs kann ermittelt werden, Indem das Luft-Brennstoffverhältnls A/F ermittelt wird, bei dem die Kohlenwasserstoffemlsslon merklich zunimmt. Flg. 16 Ist ein Diagramm, das die experimentell ermittelten Meßwerte für den Zusammenhang zwischen der Kohlenwasserstoffemlsslon und dem Lüft-Brennstoffverhältnls A/F für vier Motoren veranschaulicht. Die weißen Kreise, die schwarzen Kreise, die weißen Dreiecke und die schwarzen Dreiecke wurden folgendermaßen verwendet:

Nummer des

Versuchs

(Kennzeichnung)

Quetschwirkung

Anzahl der Stichflammen-Öffnungen

Richtung der Stichflammen

(weiße Kreise)

(schwarze Kreise)

(weiße Dreiecke)

(schwarze Dielecke)

vorhanden

(gemäß der

vorliegenden Ausführung)

vorhanden

(gemäß der

vorliegenden Ausführung)

vorhanden

(ähnlich wie bei der vorliegenden Ausführung)

nicht vorhanden

gemäß der
vorliegenden Ausführung gewählt

nicht gemäß der

vorliegenden

Ausführung

nicht gemäß der

vorliegenden

Ausführung

Im Fall der Versuche 1 und 2 handelt es sich um die vorliegende Erfindung. Es Ist erkennbar, daß sich In jedem dieser Fälle die Magergrenze Im Vergleich zu den Versuchen 3 und 4 zu der höheren Seite des Brennstoff-Luftgemlschs A/F verlagert. Es Ist ferner erkennbar, daß die Kohlenwasserstoffemlsslon In jedem der Fälle 1 und 2 kleiner Ist als In den Fällen 3 und 4. Das zeigt, daß die Verbrennung Im Fall der ausführungsgemäßen Vorrichtung vorteilhafter abläuft.

Flg. 17 zeigt das Verhältnis zwischen dem Lastwechsel AW/W und dem Luft-Brennstoffverhältnls A/F bei den gleichen Fällen, die In der vorstehenden Tabelle gezeigt sind. In dieser Figur entsprechen die im unteren Bereich gezeigten beiden Kurven den ausführungsgemäßen Fällen, und es ist erkennbar, daß der Lastwechsel Im Vergleich mit den Fällen 3 und 4 abgesenkt wird.

In den Fig. 16 und 17 geben die auf der Abszisse angegebenen Werte das Luft-Brennstoffverhältnls A/F wieder. In Flg. 16 stellt die Ordinate die Kohlenwasserstoffemlsslon (g/HP) dar, während In Flg. 17 die Ordinate den Lastwechsel (AW/W χ 100) darstellt.

Es wird eine ausschließlich mit Magergemisch betriebene Brennkraftmaschine beschrieben, die für die praktische Verwendung verbessert ist. Der Zylinderkopf des Motors hat eine Fläche, die In Verbindung mit der Oberseite des Kolbens eine Intensive Turbulenz bewirkt. Der Motor 1st ferner mit einer Vorkammer versehen, die Stichflammen aussendet, welche die Verurennung des mageren Gemlschs gemeinsam bewirken, so daß der Flammenfortpflanzungsweg verringert wird. Unter den Stichflammen ist eine, die durch einen Bereich der Brennkammer unmittelbar unter dem Mittelpunkt des Tellers des Einlaßventils hindurchgeht, uiid eine andere, die durch einen Bereich der Brennkammer unmittelbar unter dem Mittelpunkt des Tellers des Auslaßventils hindurchgeht.

Bezugszeichenaufstellung:

Zylinderkopf

Brennkammervertiefung

Umriß von 2

Einlaßventil

Auslaßventil

vorspringende Abschnitte von 3

20 Vorkammer

21 Zylinderbohrung

22 Zylinderkopf

23 Quetschfläche

24 Einlaßventil
25 Auslaßventil

S₁ erster Teil des Brennraums

S₁ zweiter Teil des Brennraums

s dritter Teil des Brennraums

26 Kolben

27 Oberseite von 26

28 erste Öffnung In 20

29 zweite Öffnung In 20

30 dritte Öffnung In 20

0 Mittellinie von

31 Brennkammervertlefung

32 Umriß voll 31

40 Kopfbereich von

41 Rumpfbereich von

42 Zündkerze

43 Funkenstrecke

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ausschließlich mit Magergemisch betriebene gemischverdichtende fremdgezündete Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf, der eine mit einer Zündkerze versehene ventlllose Vorkammer und eine als Hauptbrennraum d|enende Vertiefung aufweist, deren Umfangsllnle zwischen dem Einlaßventil und dem Auslaßventil der Mittelachse der Zylinderbohrung am nächsten kommt, um zwischen dem ZyIInderkopfboden und dem Kolbenboden eine Quetschfläche zu bilden, wobei die Vorkammer In dem Zylinderkopf außerhalb der Mittelachse der Zylinderbohrung angeordnet Ist und über mindestens zwei dem Flam-

' menausstoß In den Hauptbrennraum dienende Öffnungen mit dem Hauptbrennraum verbunden Ist, deren Mittellinien einen unter dem Teller des

" geschlossenen Einlaß- bzw. Auslaßventils gelegenen Bereich des Koibenbodens in der oberen Toipunktsieilung des Kolbens durchsetzen, wobei die eine Öffnung gegen die vom Teller des Einlaßventils geleitete und In den Hauptbrennraum eindringende Magergemischströmung gerichtet Ist und die größte Querschnittsfläche aller Öffnungen aufweift, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkammer (20) die Form eines Bechers hat, der aus einem zylindrischen Rumpfbereich (41) und einem halbkugelförmigen Kopfbereich (40) besteht, wobei zumindest der größere Teil des Kopfberelc: s In den Hauptbrennraum (31) hineinragt, daß die Öffnungen <l&, 29, 30) Im Kopfbereich (40) angeordnet sind und einen Durchmesser von 4 bis 7 mm haben, daß die MlKeIlIn^n (X-X, Y-Y) der Öffnungen (28, 29) der Vorkammer (20) mit einer Schwankungsbreite von ± 10° In einer zur Mittelachse (0) der Zylinderbohrung (21) parallelen und den Mittelpunkt des Tellers des geschlossenen Einlaßbzw. Auslaßventils (4 bzw. 5) enthaltenden Ebene verlaufen, daß das Verhältnis zwischen der Summe der Querschnlttsflächen aller Öffnungen (28, 29, 30) und dem Volumen der Vorkammer (20) so bestimm* Ist, daß es Im Bereich von 0,14 bis 0,3 cmVcm³ liegt, und daß die Wandstärke des Kopfbereichs (40) der Vorkammer (20) mindestens so groß Ist wie diejenige des Rumpfbereichs (41).

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen dem Innendurchmesser (D) des zylindrischen Rumpfbereichs (41) der Vorkammer (20) und der Tiefe IH der Vorkammer größer als 1 Ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß In der Vorkammer (20) eine dritte Öffnung (30) angeordnet Ist, deren Querschnlttsfläche kleiner Ist als diejenige der ersten und zweiten Öffnung (28, 29) und deren Mittellinie den Kolbenboden (21) In der oberen Totpunklstellung des Kolbens (26) In einer verhältnismäßig kurzen Entfernung von der dritten Öffnung (30) durchsetzt