DE2731021A1

DE2731021A1 - Verbrennungskraftmaschine mit hilfsbrennkammer

Info

Publication number: DE2731021A1
Application number: DE19772731021
Authority: DE
Inventors: Kashuhiko Motosugi; Masaaki Noguchi; Setsuro Sekiya
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1976-07-19
Filing date: 1977-07-08
Publication date: 1978-01-26
Also published as: GB1544012A; DE2731021C2; JPS5936089B2; US4170968A; JPS5311210A

Description

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Verbrennungskraftmaechine ait Hilfabrannkammer

Um die Schadetoffanteile in den Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine zu verringern, ist es bekanntgeworden, die Maschine neben der Hauptbrennkammer mit einer Hilfebrennkammer auszurüsten, die mit der Hauptbrennkammer über einen Kanal in Verbindung steht und tief im Inneren fern der Hauptbrennkammer die Elektroden der Zündkerze beherbergt. Der Verbindungskanal ist dabei so ausgebildet, daß er sich bis nahe zu den Elektroden der Zündkerze eretreckt, so daß das während des Verdichtungetaktes aus der Hauptbrennkammer durch den Verbindungekanal in die Hilfebrennkammer gedrückte brennbare Luft-Kraftetoffgemisch in die Nähe der Zündkerzenelektroden gelangt. Nach der Zündung verbrennt das Gemisch in der Hilfebrennkammer und es ergießt sich durch den Verbindungekanal ein Flammstrahl in die Hauptbrennkammer, der in letzterer eine turbulente Verbrennung dee darin befindlichen Luft-Kraftetoffgemieche bewirkt.

Eine derart mit Hilfe eines Zündflammetrahls arbeitende Maeohine hat den Vorteil, daß selbst bei Anordnung der Zündkerzenelektroden tief im Inneren der Hilfebrennkammer und fern von der Hauptbrennkammer daa in der Hilfebrennkammer befindliehe Gemiseh gezündet werden kann, ohne daß die Zündung durch in der Hilfebrennkammer vom letzten Arbeitszyklus zurückgebliebene Gaereste beeinträchtigt wird.

Masohinen dieses Typs haben jedoch den Nachteil, daß wegen der großen Länge dee Verbindungekanals die außerordentlich große Neigung besteht, daß der Flammstrahl sehr scharf, d.h. schmal wird. Als Folge davon ergibt sieh in der Hauptbrennkammer nioht das erwünscht hohe Maß in der Unterdrückung schädlicher HO-,

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CO- und NO -Komponenten im Abgas. Außerdem besteht die Gefahr, daß von dem scharfen Flammstrahl der Kolbenboden, der von ihm voll getroffen wird, durchgebrannt wird. Da von der Verbrennung in hohem Maße auch die Leistung der Maschine abhängt, läßt sich mit den zuvor beschriebenen Mitteln keine optimales Betriebsverhalten erzielen«

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art anzugeben, welche die vorerwähnten Nachteile nicht aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst· Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es seigern

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Zylinderkopfbereich einer Gegenetrom-Verbrennungskraftmaschine nach der Erfindung;

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Innenwand des Zylinderkopfes von unten bei der Maschine nach Fig. 1;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch den Zylinderkopfbereich einer «weiten Ausführungeform der Erfindung;

Fig. k einen Schnitt durch den Verbindungekanal längs der Linie C-C von Flg. 1;

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Flg. 5 einen Schnitt durch den Hilfsbrennkammereinsatz längs der Linie B-B der Aueführungefor« nach Fig. 1;

Fig. 6 einen Längsschnitt durch den Zylinderkopfbereioh einer dritten Aueführungeform der Erfindung;

Fig. 7 einen Schnitt durch den Verbindungskanal bei der Ausführung» form nach Fig. 6 längs der Linie C-C, und

Fig. 8 einen Schnitt durch den Hilfsbrennkammereinsatz der

dritten Aus führung* fom der Erfindung längs der Linie Β·-Β· in Fig. 6.

Die Figuren 1 und 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 2 zeigt eine Draufsicht vom Boden her auf den Zylinderkopf, während Fig. 1 einen Längsschnitt längs der Linie B-B in Fig. 1 zeigt. Die Figuren 1 und 2 lassen einen Zylinderkopf 1 erkennen, der auf einen Zylinderblock 2 unter Zwischenlage einer Zylinderkopfdichtung k befestigt ist. Zwischen dem Zylinderkopf 1 und einem Kolben 3» der in der Zylinderbohrung 2* beweglich ist, wird eine Hauptbrennkammer P ausgebildet. Ein brennbares Luft-Kraftstoffgemisch wird der Hauptbrennkammer P über einen Einlaßkanal 5 zugeführt. Der Einlaßkanal 5 mündet etwa tangential in Draufsicht in die Hauptbrennkammer P ein, so daß das eingeführte Gemlsoh in der Hauptbrennkammer P einen Wirbel erzeugt, der mit dem Pfeil K in Fig. 2 eingezeichnet ist.

Im Zylinderkopf 1 ist ein Ventilsitz 6 am inneren Ende des Einlaßkanals 5 ausgebildet, auf welchem ein Einlaßventil 7 im Sohließzustand aufsitzt. In den Zylinderkopf 1 ist von der Hauptbrennkammerseite her ein Hilfebrennkammereinsatz 9 »it Preßsitz eingepaßt. Dieser Einsatz befindet sich an einer exzentrisch in Bezug auf die Mittenachse O des Zylinders 2* gelegenen

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Stelle und bildet in Inneren eine Hilfebrennkammer A aus· Verbindungskanäle 10, 11 und 12 werden von einer etwa zylindrischen Führungswand 17 umgeben und ausgebildet, welche einstückig an derjenigen Seite an Hilfebrennkamnereinsatz 9 ausgebildet ist, welche der Hauptbrennkammer P benachbart ist, so daß die Verbindungskanäle 10, 11 und 12 tangential nit der Umfangswand des Hilfsbrennkamnereinsatzes 9 verbunden sind· Die Richtungen a und b der Öffnungen der Zweigkanäle 11 und 12 sind auf die Zentren von Hohlräumen Q und R ausgebildet, welche Teilverbrennungskamnern bilden, welche dadurch entstehen, daß die Hauptbrennkammer in OT-Steilung des Kolbens 3 geteilt wird«

Die Zweigkanäle 11 und 12 vereinigen sich in Richtung auf die Hilfsbrennkammer A innerhalb der Führungewand 17 zu einem einzigen, in die HiIfsbrennkammer A mündenden Verbindungekanal 10· Während des Verdichtungstaktes wird das brennbare Gasgemisch aus der Hauptbrennkammer P durch den Verbindungskanal 10 in die Hilfebrennkammer A gedrückt und erzeugt in ihr •inen Gaswirbel· In den Zylinderkopf 1 ist von außen eine Zündkerze 13 eingeschraubt, die in den Hilfsbrennkammereinsatz 9 hineinragt, wo sich ihre Elektroden Ik nahe derjenigen Stelle befinden, an welcher der Verbindungskanal 10 in der Hilfsbrenn-A endet.

Die Gestalt der Innenwandung der Hilfsbrennkammer A ist ein Ellipsoid, se daß sieh die erwähnte Wirbelbewegung d des brennbaren Gasgemischs in der Hilfebrennkammer A ausbilden kann· An der Innenwand des Zylinderkopfes 1 sind zwei Vorsprünge 15 ausgebildet, von denen eioh einer nahe dem Hilf sbrennkammereinsatz 9 und der andere diametral gegenüber befindet. Jeder der Vorsprttnge 15 weist eine etwa halbmondförmige Fläche auf, die so angeordnet ist, daß sieh der Kolben 3 gegen sie dieht annähert, so daß Queteohzenen S zwlsehen den VorsprUngen 15 und dem Kolben·

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boden entstehen, welche während de· Verdichtungstakt·· eine •tarke Wirbelbewegung der Gaee in der Hauptbrennkammer P hervorrufen .

Die FUhrungswand 17 und die Innenwandung de· Hilf »br en »Ir a im» reinaatzee 9 sind miteinander duroh eine Rippe 16 verbunden, die einstückig mit ihnen ausgebildet ist und verhindern soll, daß die PUhrungswand 17 abbrennt. Außerdem dient »ie datau, die Virbelauabildung in der Hilf»brennkammer A zu beeinflussen, Es i»t aneätzlich vorteilhaft, wenn die Elektrode \k der Zündkerze 13 in einem Bereich angeordnet iat, weloher von dem wirbelnden brennbaren Gasgemisch in der Hilfebrennkammer A nicht erreicht wird, so daß dl· in der Hilfebrennkammer zusammen mit den Prischgasen wirbelnden Restgase nicht an die Elektrode Ik der Zündkerze 13 herankommen können. Um sicherzustellen, daß die wirbelnden Restgasanteile an die Elektrode 1*1 der Zündkerze 13 nioht herankommen, kann die Elektrode ~\k daher, wie Fig. 3 zeigt, in dem Verbindungekanal 10 angeordnet sein.

Vie oben erwähnt, ist aufgrund der besonderen Anordnung der Zündkerzenelektroden eine Zündung sichergestellt, ohne daß die Zündkerzenelektroden mit Restgasen in Berührung treten können. Nach der Zündung kann sioh die Flamme der brennbaren Gase sehr schnell in Richtung auf das offene Ende de· Verbindungekanal· 10 auebreiten mit der Folge_β daß niohtverbrannt· Gasanteile daran gehindert werden, duroh den Verbindungakanal 10 in die Hauptbrennkammer P zu strömen. Duron die gesteuerte Wirbelbewegung der Gase in der Hilfsbrennkammer A wird die Verbrennung in ihr günstig beeinflußt, so daß sie unter einer optimalen Geschwindigkeit ablaufen kann· Al· Folg« davon kann die Energie dee brennenden Flammetrahlee geetelgert und der Flammstrahl für einen langen Zeitraum aufrechterhalten werden·

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Der eich durch die Zweigkanäle 11 und 12 in die Hauptbrennkammer P in den gewünschten Richtungen a und b ergießende Flammstrahl erzeugt in der Hauptbrennkanmer P eine Turbulenz« Zusätzlich hat das während des Ansaugtaktes durch den Ansaugkanal 5 strömende Gasgemisch in der Hauptbrennkaumer einen Wirbel um die Achse des Zylinders 2* hervorgerufen. Dieser Wirbel in der Hauptbrennkammer P wird während des Verdichtungstaktes verstärkt durch die Quetschwirkung, die zwischen dem Kolbenboden und den Vorsprüngen 15 in der Hauptbrennkanmer P hervorgerufen wird· Der Flanmstrahl und die so erzeugten Wirbel rufen eine turbulente Verbrennung in der Hauptbrennkammer P und als Folge davon eine sehr hohe Verbrennungsgeschwindigkeit hervor· Bei der vorliegenden Erfindung wird die Verbrennung in der Hauptbrennkammer P in der Weise beeinflußt, daß mehrere Verbindungskanäle derart angeordnet sind, daß sich deren auf die Hauptbrennkammer geriohteten Öffnungen in die als am günstigsten ausgewählten Richtungen weisen und passend gewählte Querschnitte aufweisen.

Fig· k zeigt einen Schnitt durch den Verbindungskanal 10 und die Zweigkanäle 11 und 12 längs der Linie C-C in Fig. 1. Die Fig. 5 zeigt Schnitte längs der Linie B-B in Fig. k. Dabei zeigt Fig. 5, I eine AusfUhrungsform, bei welcher das offene Ende des Verbindungskanals 10, weloheβ der Hilfsbrennkammer A zugekehrt ist, einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Fig· 5, II zeigt eine AusfUhrungsform, bei welcher die Stabilität von Zündung und Verbrennung verbessert ist, wenn die Maschine unter geringer Belastung betrieben wird· Diese Verbesserung wird dadurch erzielt, daß das der Hilfsbrennkammer A zugekehrte Ende des Verbindungskanals 10 so ausgebildet ist, daß dessen Querschnitt größer als die Summe der Querschnitte der Zweigkanäle 11 und 12 ist. Fig. 5» III schließlich zeigt eine Ausführungsform, bei welcher der Verbindungskanal 10 so ausge-

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staltet ist, daß er sich lang· der Innenwand de· Hilfsbrennkanmereinsatzes 9 erstreckt.

Die Figuren 6 und 7 zeigen ein anderes Ausführungebeispiel der Erfindung« Bei diesen AusfUhrungsbeispiel Bündet der Verbindungskanal 10 etwa in der Mittenachse der Hilfsbrennkammer A und die Zündkerze 13 ist tief in Inneren des Hilfsbrennkannereinsatzes 9 angeordnet. Zusätzlich ist die Elektrode Ik der Zündkerze 13 nahe der Mündung des Verbindungskanals 10 angeordnet, so daß die Zündung verbessert ist«,

Fig. 7 zeigt einen Schnitt durch den Verbindungskanal 10 und die Zweigkanäle 11 und 12 längs der Linie C-C* in Fig. 6. Fig. 8 zeigt verschiedene Schnitte längs der Linie B¹-B* in Fig. 7· In Fig. 8, I ist eine Ausführungsfom dargestellt, bei welcher die Mündung des Verbindungskanals 10 in der Hilfsbrennkanmer A einen kreisförmigen Querschnitt hat. Fig. 8, II zeigt eine Ausführungsforn, bei welcher die während des Verdichtungstaktes in den Verbindungskanal 10 durch die Zweigkanäle 11 und 12 gedrückten Gase keine Turbulenz in Verbindungekanal 10 hervorrufen. Hierdurch wird die Zündung verbessert. Fig. 8, III zeigt eine Ausführungsforn, bei weloher bein Einleiten des brennbaren Genischs in die Hauptbrennkanner P über das Einlaßventil 7 (Fig. 6) dieses Gemisch in die Hilfebrennkammer A durch den Verbindungskanal 10 einströmt, weloher so angeordnet ist, daß seine Öffnung auf das Einlaßventil 7 weist. Man erreicht hierdurch eine gewisse Spülwirkung innerhalb der Hilfsbrennkanner A, duroh welohe die darin von vorangegangenen Arbeitszyklus zurückgebliebenen Gasreste aus der Hilfsbrennkammer A herausgespUlt werden und daduroh die Zündung verbessert wird.

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Gemäß der vorliegenden Erfindung sind wenigstens zwei Verbindungskanäle vorgesehen, welche die Haupt br ennkammer mit der Hilfsbronnirwmmer verbinden· Die Verbindungekanäle sind so ausgerichtet, daß sie sich in die Hilfsbrennkammer an einer Stelle öffnen, die nahe den Elektroden der Zündkerze liegt, welche tief ist Inneren der Hilfsbrennkamaier angeordnet ist« Außerdem sind die öffnungen der Verbindungekanäle in der Hauptbrennkammer auf die Zentren entsprechender Teilraueβ gerichtet, die duroh gleichmäßige Aufteilung der Hauptbrennkammer in OT-Stellung des Kolbens ausgebildet sind· Bei dieser Ausgestaltung wird während des Verdichtungstaktes brennbares Gemisch aus der Hauptbrennkaauaer durch die Verbindungekanäle in die Hilfsbrennkammer gedrückt, in weloher die Gase eine gesteuerte Wirbelbewegung hervorrufen, duroh welohe etwa vorhandene Restgase von den Elektroden der Zündkerze weggespült werden_o Als Folge davon kann das in der Hilfsbrennkammer vorhandene brennbare Gasgemisch sehr leicht gezündet werden· Da die sich in der Hilfebrennkammer entwickelnde Flamme sohnell die Mündung des Verbindungekanale in der Hilfsbrennkammer bedeckt, ist es möglich, die Vahrsoheinliohkeit, daß unverbrannte Gase in die Hauptbrennkammer entweichen kttnnen, sehr gering wird· Durch die erwähnte besondere Anordnung der Verbindungskanäle läßt sich die Gasströmung in der Hilfebrennkammer günstig beeinflussen, eo daß eich eine stabile Verbrennung ergibt, welohe einen Flammstrahl liefert, der für lange Zeit aufrechterhalten werden kann« Da sich die in die Hauptbrennkammer ergießenden Flammstrahlen gleichmäßig über den gesamten freien Raum der Hauptbrennkammer ausbreiten, ergibt sioh in letzterer eine sehr sohnelle Verbrennung·

Versuche haben gezeigt, daß es günstig ist, wenn das Verhältnis des Volumens der Hilfebrennkammer zum Volumen der gesamten Hauptbrennkammer im Bereioh zwischen O,O6|1 und 0,25t1 liegt, wenn sioh der Kolben in OT-Stellung befindet _o Das Verhältnis

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der Summe der Querschnittsflächen der Mündungen der Verbindungekanäle an der Hauptbrennkammer zum Volumen der Hilfebrennkammer sollte im Bereich von 0,08 und 0,25 om~ * 1 liegen. Günstig ist ein Verhältnis der Summe der Querschnittsfläohen der Mündungen der Verbindungekanäle an der Hauptbrennkammer zur Summe der Mündungen der Verbindungekanäle in der HAftfsbrennkammer, das im Bereioh zwischen 0,6 und 1,6 t 1 liegt.

Selbst wenn man ein mageres Luft/Kraftetoffgemieoh oder ein Gemisch mit rezirkuliertem Abgasanteil verwendet und selbst wenn die Elektroden der Zündkerze tief im Inneren der Hilfebrennkammer angeordnet sind, läßt sioh eine sichere Zündung erreichen. Da sioh die entstehenden Flammstrahlen gleichförmig über den gesamten freien Raum der Hauptbrennkammer verteilen, iet es möglich, den Anteil der Schadstoffe in den Abgasen zu verringern, ohne daß damit eine Verringerung der von der Maschine abgegebenen Leistung hingenommen werden muß. Selbet bei Betrieb mit rezirkulierten Abgasen läßt sich eine Zündung in der Hilfebrennkammer erreichen, ohne daß diese durch zurückgebliebene Restgase beeinflußt wird. Da die Flammetrahlen in der Hauptbrennkammer die dort vorhandenen brennbaren und rezirkulierten Gaee volletändig miteinander vermisohen. ergibt sieh dort eine schnelle und stabile Verbrennung· DrehmomentSchwankungen werden dadurch auf ein Mindestmaß verringert, der Anteil schädlicher Abgase wird reduziert.

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Claims

Ansprüche

1.j Verbrennungskraftmaschine mit einem eine Zylinderbohrung aufweisenden Zylinderblock, einem auf dem Zylinderblock befestigten, einen eine Hilfsbrennkammer ausbildenden Hohlraum aufweisenden Zylinderkopf, einem in der Zylinderbohrung beweglichen Kolben, der zwischen sich und dem Zylinderkopf eine Hauptbrennkammer einschließt, je einem im Zylinderkopf gelagerten Einlaß- und Auslaßventil und einer Zündkerze, deren Elektroden in der Hilfebrennkammer angeordnet sind, welche mit der Hauptbrennkammer in gasdurchlässiger Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptbrennkammer (P) und Hilfsbrennkammer (a) verbindende Kanal (io) sich tief im Inneren der Hilfsbrennkammer (a) in diese nahe der Zündkerzenelektroden (i4) öffnet und gegen die Hauptbrennkammer (P) in wenigstens zwei Zweigkanäle (11,12) verzweigt ist, und daß die Hauptbrennkammer (p) in zwei in OT-Stellung des Kolbens (3) voneinander getrennte Teilkammer 11 (Q,R) etwa gleicher Volumina geteilt ist, in Richtung deren Zentren sieh die Zweigkanäle (11,12) öffnen.

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MÜNCHEN: TELEFON (089)225585
KABEL: PROPINOUS - TELEX 05 94944

BERLIN: TELEFON (O3O) 8312Ο88
KABEL: PROPINDUS TELEX Ο184Ο57

ORIGINAL INSPECTED

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2. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1_} daduroh gekennzeichnet, daß die Elektroden (^k) der Zündkerze (13) tief im Inneren der Hilfsbrennkammer (a) fern von der Hauptbrennkammer (P) gelegen sind.

3· Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (ik) der Zündkerze (13) im Verbindungskanal (1O) gelegen sind·

k. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungskanäle (10,11,12) in einer Führungswand (17) ausgebildet sind, die sich zum tiefen Innenraum der Hilfsbrennkammer (a) erstreokt.

5« Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch k, daduroh gekennzeichnet, daß die Führungewand (17) alt einer Innenwand der Hilfsbrennkammer (A) über wenigstens eine Rippe (i6) verbunden ist·

6. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, daduroh gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (1O) längs einer Innenwand der Hilfsbrennkammer (a) verläuft und seine der Hilfe· brennkammer (a) zugekehrte öffnung an deren Peripherie gelegen ist.

7. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 , daduroh gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (io) in der Mittenaohse der Hilfsbrennkammer (A) verläuft.

8. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, daduroh gekennzeichnet, daß beide Zweigkanäle (11,12) unmittelbar in die Hilfsbrennkammer (a) münden.

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9· Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dafi da· Verhältnis von Hilfebrennkammervolumen zur Sinse aus Hl 1fsbre 11 nt iwnrvolumen , Verbindungekanal ·> volumen und Hauptbroiinkiii—ervolumen im Bereich zwischen O₍O6t1 und 0,25t1 liegt, venn sich der Kolben (3) in OT-Stellung befindet, das Verhältnis der Summe der Querschnitt sf lachen der Verbindung·zveigkanalmündungen zum Hilfebrennkammervolumen im Bereioh zwischen 0,08 und 0,25 ob" ti und das Verhältnis der Verbindungskanalgesamtquerschnitte an Hauptbrennkammer (P) und Hilfebrennkammer (▲) im Bereich zwischen 0,6t1 und 1,6ti liegen·

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