DE2731021C2

DE2731021C2 - Brennkraftmaschine mit Fackelzündung

Info

Publication number: DE2731021C2
Application number: DE2731021A
Authority: DE
Inventors: Kashuhiko Toyota Aichi Motosugi; Masaaki Nagoya Aichi Noguchi; Setsuro Sekiya
Original assignee: Toyota Jidosha Kogyo KK
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1976-07-19
Filing date: 1977-07-08
Publication date: 1982-10-21
Also published as: US4170968A; GB1544012A; JPS5311210A; JPS5936089B2; DE2731021A1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit Fackelzündung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche ist aus der DE-AS 02 412 bekannt.

Es handelt sich dabei um eine Brennkraftmaschine mit Zuführung des Brennstoffs als Gemisch in die Hilfsbrennkammer allein von der Hauptbrennkammer her, d. h. die Hilfsbrennkammer weist weder Einspritzdüse noch Einlaßventil auf.

Die bekannte Brennkraftmaschine ist für Schichtladungsbetrieb vorgesehen. Dementsprechend hat sie zwei verschieden beaufschlagte Gemischzuführungssysteme, von denen das eine im Einlaßkanal dicht hinter dem Ventilteller endet, um bei Öffnung des Ventils bevorzugt Gemisch aus diesem Zuführungssystem durch einen Verbindungskanal in die Hilfsbrennkammer zu leiten. Der Ventilteller übernimmt dabei Leitfunktionen. Aus der Hilfsbrennkammer führt ein zweiter "Kanal in die Hauptbrennkammer, was die Durchspülung der Hilfsbrennkammer während des Ansaugtaktes der Maschine ermöglicht

Die Kraftstoffversorgung dieser Maschine ist somit recht aufwendig. Zum einen muß im Ansaugkanal eine zweite Gemischzuführungsleitung angeordnet sein und zum anderen ist eine zweite Gemischaufbereitungseinrichtung (Vergaser) zusätzlich zu dem von Hause aus vorhandenen Vergaser erforderlich.

Aus der US-PS 28 84 913 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, die eine ventilgesteuerte Hilfsbrennkammer aufweist Durch das Ventil der Hilfsbrennkammer wird Kraftstoff und etwas Luft in die Hilfsbrennkammer eingelassen. Sie ist durch mehrere Kanäle, die sich in einem Verbindungskanal vereinigen mit der Hauptbrennkammer verbunden. In die Hauptbrennkammer wird über ein übliches Einlaßventil Luft-Brennstoff gemisch eingelassen. In der Hilfsbrennkammer entsteht ein Kraftstoffüberschuß und eine Schichtladung, die im oberen Bereich, wo die Zündkerze angeordnet ist, am magersten 1st. Nach der Zündung treibt das im Bereich der Zündkerze brennende Gas zunächst das übrige, fettere unverbrannte Gas in die Hauptbrennkammer. Erst dort wird es durch die nachfolgenden Flammstrahlen gezündet

Auch diese Maschine erforder ein kompliziertes Steuerungssystem, das die verschiedenen Belastungszustände berücksichtigen muß, und einen erheblichen mechanischen Aufwand aufgrund eines dritten, zu bewegenden Ventils.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vergleichsweise einfach aufgebaute Brennkraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art anzugeben, die in der Lage ist, ein mageres Luft-Kraftstoffgemisch sicher zu zünden und ohne Entwicklung größerer Schadstoffanteile im Abgas zu verbrennen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Durch diese Merkmale wird erreicht, daß sich nach der Zündung die entstehende Flamme nicht nur in der Hilfsbrennkammer, sondern sogleich auch in dem Verbindungskanal ausbreitet, so daß zum einen eine allzu starke Druckerhöhung in der Hilfsbrennkammer ausgeschlossen wird und zum anderen das in der Hauptbrennkammer befindliche Gemisch augenblicklich gezündet wird, ohne daß zuvor größere Mengen unverbrannten Gases aus der Hilfsbrennkammer ausgestoßen werden. Man erreicht hierdurch auch einen insgesamt länger anhaltenden Flammenausstoß aus der Hilfsbrennkammer.

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

F i g. 1 einen Längsschnitt durch den Zylinderkopfbereich einer Gegenstrom-Verbrennungskraftmaschine;

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

Die Fig. 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel. Fig. 2 zeigt eine Draufsicht vom Boden her auf den Zylinderkopf, während Fig. 1 einen Längsschnitt längs

der Linie B-B in F i g. 2 zeigt Die F i g. 1 und 2 lassen einen Zylinderkopf 1 erkennen, der auf einen Zylinderblock 2 unter Zwischenlage einer Zylinderkopfdichtung 4 befestigt ist Zwischen dem Zylinderkopf 1 und einem Kolben 3, der in der Zylinderbohrung ΐ beweglich ist, wird eine Hauptbrennkammer P ausgebildet Ein brennbares Luft-Kraftstoffgemisch wird der Hauptbrennkammer P über einen Einlaßkana! 5 zugeführt Der Einlaßkanal 5 mündet etwa tangential in Draufsicht in die Hauptbrennkammer fein, so daß das eingeführte Gemisch in der Hauptbrennkammer P einen Wirbel erzeugt, der mit dem Pfeil K in F i g. 2 eingezeichnet ist

Im Zylinderkopf 1 ist ein Ventilsitz 6 am inneren Ende des Einlaßkanals 5 ausgebildet, auf welchem ein Einlaßventil 7 im Schließzustand aufsitzt In den Zylinderkopf 1 ist von der Hauptbrennkammerseite her ein Hilfsbrennkammereinsatz 9 mit Preßsitz eingepaßt Dieser Einsatz befindet sich an einer exzentrisch in bezug auf die Mittenachse Odes Zylinders 2' gelegenen Stelle und bildet im Inneren eine Hilfsbiennkammer A aus. Verbindungskanäle 10, 1 f und 12 werden von einer etwa zylindrischen Führungswand 17 umgeben und ausgebildet, welche einstückig an derjenigen Seite am Hilfsbrennkammereinsatz 9 ausgebildet ist welche der Hauptbrennkammer P benachbart ist, so daß die Verbindungskanäle 10, Il und 12 tangential mit der Umfangswand des Hilfsbrennkammereinsatzes 9 verbunden sind. Die Richtungen aund öder Öffnungen der Zweigkanäle 11 und 12 sind auf die Zentren von Hohlräumen Q und R ausgebildet, welche Teilverbrennungskammern bilden, welche dadurch entstehen, daß die Hauptbrennkammer in OT-Stellung des Kolbens 3 geteilt wird.

Die Zweigkanäle U und 12 vereinigen sich in Richtung auf die Hilfsbrennkammer A innerhalb der Führungswand 17 zu einem einzigen, in die HilFsbrennkammer A mündenden Verbindungskanal 10. Während des Verdichtungstaktes wird das brennbare Gasgemisch aus der Hauptbrennkammer Pdurch den Verbindungskanal 10 in die Hilfsbrennkammer A gedrückt und erzeugt in ihr einen Gaswirbel. In den Zylinderkopf 1 ist von außen eine Zündkerze 13 eingeschraubt, die in den Hilfsbrennkammereinsatz 9 hineinragt

Die Gestalt der Innenwandung der Hilfsbrennkammer A ist ein Ellipsoid, so daß sich die erwähnte Wirbelbewegung c/des brennbaren Gasgemischs in der Hilfsbrennkammer A ausbilden kann. An der Innenwand des Zylinderkopfes 1 sind zwei Vcrsprünge 15 ausgebildet, von denen sich einer nahe dem Hilfsbrennkammereinsatz 9 und der andere diametral gegenüber befindet. Jeder der Vorsprünge 15 weist eine etwa halbmondförmige Fläche auf, die so angeordnet ist daß sich der Kolben 3 gegen sie dicht annähen, so daß Quetschzonen S zwischen den Vorsprüngeti 15 und dem Kolbenboden entstehen, welche während des Verdichtungstaktes eine starke Wirbelbewegung der Gase in der Hauptbrennkammer ^hervorrufen.

Die Führungswand 17 und die Innenwandung des Hilfsbrennkammereinsatzes 9 sind miteinander durch eine Rippe verbunden, die einstückig mit ihnen ausgebildet ist und verhindern soll, daß die Führungswand 17 abbrennt. Außerdem dient sie dazu, die Wirbelausbildung in der Hilfsbrennkammer A zu beeinflussen. Es ist zusätzlich vorteilhaft, wenn die Elektrode 14 der Zündkerze 13 in einem Bereich angeordnet ist, welcher von dem wirbelnden brennbaren Gasgemisch in der Hilfsbrennkammer A nicht erreicht wird, so daß die in der Hilfsbrennkammer

zusammen mit den Frischgasc-n wirbelnden Restgasc nicht an die Elektrode 14 der Zündkerze 13 herankommen können. Um sicherzustellen, daß die wirbelnden Restgasanteile an die Elektrode i4 der Zündkerze 13 nicht herankommen, ist die Elektrode 14 daher, wie F i g. 1 zeigt in dem Verbindungskanal 10 angeordnet

Wie oben erwähnt ist aufgrund der besonderen Anordnung der Zündkerzenelektroden eine Zündung sichergestellt ohne daß die Zündkeizenelektroden mit Restgasen in Berührung treten können. Nach der Zündung kann sich die Flamme der brennbaren Gase sehr schnell in Richtung auf das offene Ende des Verbindungskanals 10 ausbreiten mit der Folge, daß nichverbrannte Gasanteile daran gehindert werden, durch den Verbindungskanal 10 in die Hauptbrennkammer P zu strömen. Durch die Wirbelbewegung der Gase in der Hilfsbrennkammer A wird die Verbrennung in ihr günstig beeinflußt, so daß sie unter einer optimalen Geschwindigkeit ablaufen kann. Als Folge davon kann die Energie des brennenden Flammstrahles gesteigert und der Flammstrahl für einen langen Zeitraum aufrechterhalten werden.

Der sich durch die Zweigkanäle 11 und 12 in die Hauptbrennkammer Pin den gewünschten Richtungen a und b ergießende Flammstrahl erzeugt in der Hauptbrennkammer P eine Turbulenz. Zusätzlich hat das während des Ansaugtaktes durch den Ansaugkanal 5 strömende Gasgemisch in der Hauptbrennkammer 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 Haupib^ennkammer P hervorgerufen wird. Der Flammstrahl und die so erzeugten Wirbel rufen eine turbulente Verbrennung in der Hauptbrennkammer P und als Folge davon eine sehr hohe Verbrennungsgeschwindigkeit hervor. Bei dem vorliegendem Beispiel wird die Verbrennung in der Hauptbrennkammer P in der Weise beeinflußt, daß mehrere Verbindungskanäle derart angeordnet sind, daß sich deren auf die Hauptbrennkammer gerichteten Öffnungen in die als am günstigsten ausgewählten Richtungen weisen und passend gewählte Querschnitte aufweisen.

Versuche haben gezeigt, daß es günstig ist, wenn das Verhältnis des Volumens der Hilfsbrennkammer zum Volumen der gesamten Hauptbrennkammer im Bereich zwischen 0,06 :1 und 0,25 :1 liegt, wenn sich der Kolben in OT-Stellung befindet. Das Verhältnis der Summe der Querschnittsflächen der Mündungen der Verbindungskanäle an der Hauptbrennkammer zum Volumen der Hilfsbrennkammer sollte im Bereich von 0,08 und 0,25 cm-':1 liegen. Günstig ist ein Verhältnis der Summe der Querschnittsflächen der Mündungen der Verbindungskanäle an der Hauptbrennkammer zur Summe der Mündungen der Verbindungskanäle in der Hilfsbrennkammer, das im Bereich zwischen 0,6 und 1,6 :1 liegt.

Selbst wenn man ein mageres Luft-Kraftstoffgemisch oder ein Gemisch mit rezirkuliertem Abgasanteil verwendet, läßt sich eine sichere Zündung erreichen. Da sich die entstehenden Flammstrahlen gleichförmig über den gesamten freien Raum der Hauptbrennkammer vtrteilen, ist es möglich, den Anteil der Schadstoffe in den Abgasen zu verringern, ohne daß damit eine Verringerung der von der Maschine abgegebene Leistung hingenommen werden muß. Selbst bei Betrieb mit rezirkulierten Abgasen läßt sich eine Zündung in der

Hilfsbrennkammer erreichen, ohne daß diese durch zurückgebliebene Restgase beeinflußt wird. Da die Flammstrahlen in der Hauplbrennkammer die dort vorhandenen brennbaren und rezirkulierten Gase vollständig miteinander vermischen, ergibt sich dort

eine schnelle und stabile Verbrennung. Drehmomentschwankungen werden dadurch auf ein Mindestmaß verringert, der Anteil schädlicher Abgase wird reduziert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Brennkraftmaschine mit Fackelzündung, bestehend aus einem Zylinderblock mit darin beweglichem Hubkolben, einem den Zylinderblock abschließenden, mit ihm und dem Hubkolben eine Hauptbrennkammer begrenzenden Zylinderkopf mit darki gelagerten Ein- und Auslaßventilen, einer im Zylinderkopf ausgebildeten ventillosen Hilfsbrennkammer mit zwei in die Hauptbrennkammer mündenden öffnungen, und einer Zündkerze, deren Elektroden in der Hilfsbrennkammer angeordnet und in Richtung eines in die Hilfsbrennkammer mündenden Verbindungskanals gelegen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die hauptbrenn- π kammerseitigen Öffnungen die Enden zweier Zweigkanäle (11,12) sind, die sich in einen einzigen Verbindungskanal (10) vereinigen, daß dessen hilisbrennkammerseitige öffnung tief im Inneren der Hilfsbrennkammer (A) gelegen ist, und daß die Kerzenelektroden (14) im Verbindungskanal (10) nahe dessen innerem Ende angeordnet sind,

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (10) und seine Zweige (11, 12) in einer Führungswand (17) ausgebildet sind, die sich zum tiefen Innenraum der Hüfsbrennkammer ^erstreckt

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungswand (17) mit einer Innenwand der Hilfsbrennkammer (A) über m wenigstens eine Rippe verbunden ist.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (10) längs einer Innenwand der Hilfsbrennkammer (A) verläuft und seine der Hilfsbrennkammer (A) η zugekehrte Öffnung an deren Peripherie gelegen ist.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (10) in der Mittenachse der Hilfsbrennkammer (A) verläuft.

6. Brennkraftmaschine nach Anspmch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Hilfsbrennkammervolumen zur Summe aus Hilfsbrennkammervolumen, Verbindungskanalvolumen und Hauptbrennkammervolumen im Bereich zwischen 0,06 :1 und 0,25 :1 liegt, wenn sich der Kolben (3) in OT-Stellung befindet, das Verhältnis der Summe der Querschnittsflächen der Verbindungszweigkanalmündungen zum Hilfsbrennkammervolumen im Bereich zwischen 0,08 und 0,25cm-' :1 und das Verhältnis der Verbindungskanalgesamtquerschnitte an Hauptbrennkammer (P) und Hilfsbrennkammer (A)\m Bereich zwischen 0,6 :1 und 1,6 :1 liegen.