DE3415823A1

DE3415823A1 - Unterverbrennungskammer einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3415823A1
Application number: DE19843415823
Authority: DE
Inventors: Shigetoshi Kokubu Kagoshima Toeda
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1983-04-27
Filing date: 1984-04-27
Publication date: 1984-10-31
Also published as: DE3415823C2; JPS59200012A; US4714062A

Description

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BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Unterverbrennungskanuner einer Brennkraftmaschine, die eine heiße Zündkerze hat.

Nach dem Stand der Technik werden zwei Verbrennungsmethoden bei Dieselmotoren, die eine Art von Brennkraftmaschinen sind, benutzt, Eine Methode ist die Direkteinspritzmethode, bei welcher der Kraftstoff direkt in eine einzige Hauptverbrennungskammer eingespritzt wird. Die andere Methode ist die Unterverbrennungskammermethode, bei welcher der Kraftstoff in eine Vorverbrennungskammer ( Turbulenzkammer) eingespritzt wird, um eine teilweise Verbrennung (vorübergehende bzw. überleitende Verbrennung) zu erzielen. In letzter Zeit sind die Dieselmotoren kompakter geworden und werden mit höherer Geschwindigket betrieben.

Demgemäß werden viele Motoren vom Unterverbrennungskammertyp verwendet, damit die Verbrennung in einer kurzen Zeit vollendet wird. Jedoch wird in dieser Art eines Dieselmotors die Unterverbrennungskammer, wie sie nach dem Stand der Technik verwendet wird, in hohem Maße gekühlt, da die Unterverbrennungskammer in einem Zylinderkopf H vorgesehen ist, der ein oder mehrere Kühlwasserdurchgänge W hat, wie die Vertikalschnittansicht der Fig. 1 zeigt.

Als Ergebnis hiervon steigt die Temperatur der komprimiortcn Luft nicht genügend an, und es ist extrem schwierig, den Motor zu starten, und zwar insbesondere während der kalten Jahreszeit. Um diese Schwierigkeit zu beheben, wird eine Glühkerze G als Heizeinrichtung verwendet, so daß dadurch die Zündung schneller erfolgt und die Startleistungsfähigkeit verbessert wird bzw. die Starteigenschaften verbessert werden. Jedoch wird der von einer Einspritzdüse U eingespritzte Kraftstoff in der frühen Stufe des

Startens nicht vollständig zerstäubt, der Bereich in der Nähe der Unterverbrennungskammer F wird nicht genügend erwärmt, und der Zylinderkopf H, welcher die Unterverbrennungskammer aufweist, sowie die heiße Kerze P, die ein Teil der Unterverbrennungskammer ist, werden aus wärmewiderstandsfähigen Legierungen hergestellt, die eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit haben. Als Ergebnis der Kombination dieser Faktoren ist der gesamte abkühlende Bereich groß, die Turbulenz in der Unterverbrennungskammer F ist heftig, und die Wärmeverluste werden groß. Daher ist eine beträchtlich lange Zeit erforderlich, bis die Temperatur in der Nähe der Unterverbrennungskammer bis zu dem Ausmaß ansteigt, bei dem der eingespritzte Kraftstoff keine Zündverzögerung bewirkt. Auf diese Weise tritt aufgrund der Zündverzögerung Klopfen auf, was zur Erzeugung von übermäßigem Geräusch und zur schlechten Funktion bzw. Fehlfunktion des Motors führt.

Um die vorstehend erwähnten Mängel zu meistern, ist es erforderlich, die Temperatur der Unterverbrennungskammer F sehr schnell ansteigen zu lassen. Zu diesem Zweck sollte die Temperatur der heißen Zündkerze P in der Unterverbrennungskammer sehr schnell erhöht werden, und der Wärmeleitwert bzw. -übergang von der heißen Zündkerze P zu dem Zylinderkopf H, der den Kühlwasserkanal W hat, sollte so klein wie möglich sein. Beispiele von Unterverbrennungskammsrn, mit denen diese Schwierigkeiten gelöst werden, sind in den Fig. 2 und 3 gezeigt; hier ist der Außendurchmesser der heißen Zündkerze P ein wenig kleiner als der Durchmesser des Anbringungslochs Ha für die heiße Zündkerze, so daß ein kleiner Zwischenraum L zur Wärmeisolation zwischen der Umfangsoberflache der metallischen heißen Zündkerze P und der Innenwandoberfläche des Anbringungslochs Ha für die heiße Zündkerze vorgesehen ist (mit Ausnahme des unten beschriebenen Flanschabschnitts Pb), und der in den unteren Abschnitt der heißen Zündkerze P integrierte Flanschabschnitt Pb int im Drucksitz in dom

J 4 I b Ö

Abschnitt Hb größeren Durchmessers des Anbringungslochs Ha der heißen Zündkerze angebracht und im Zylinderkopf befestigt, um die Unterverbrennungskammer auszubilden. Jedoch ist die metallische heiße Zündkerze P während des Motorbetriebs stets Hochtemperaturflammen ausgesetzt. Obwohl die Zündkerze allgemein aus einem wärmwiderstandsfähigen Material hergestellt ist, ist sie nicht dauerhaft genug, der Hitze zu widerstehen. Insbesondere kann der Rand E der Zündkerze, welcher der Hauptverbrennungskammer zugewandt ist, leicht verbrannt werden.

Darüber hinaus ist die Zündkerze teuer, da sie aus einer wärmebeständigen Legierung hergestellt ist, die Nickel und Kobalt enthält. Im Hinblick auf diese Situationen sind verschiedene heiße Zündkerzen vorgeschlagen worden, die aus Keramikmaterialien hergestellt sind, deren Wärmeleitfähigkeit geringer als diejenige von metallischen Materialien ist, und die eine ausgezeichnete bzw. überlegene Wärmebeständigkeit haben. Jedoch sind Keramikmaterialien relativ empfindlich gegen Wärmestöße und mechanische Stöße, obwohl sie eine hohe Wärmebeständigkeit haben. Wenn eine keramische heiße Zündkerze verwendet wird, dann kann sie, anders als metallische heiße Zündkerzen, nicht direkt im Pressitz in den Zylinderkopf eingefügt werden. Außerdem ist es, wenn eine keramische heiße Zündkerze eingebaut wird, dort, wo ein großer thermischer Gradient während des Motorbetriebs'hervorgerufen wird, so, daß die keramische heiße Zündkerze aufgrund der thermischen Beanspruchung aufreißen bzw. zerspringen oder platzen kann.

Obwohl verschiedene Vorschläge gemacht worden sind, um dieso Schwierigkeiten zu überwinden, sind bisher noch keine wesentlich wirksamen Mittel entwickelt worden.

Infolgedessen soll mit der vorliegenden Erfindung eine Unterverbrennungskammer zur Verfügung gestellt werden, die

eine keramische heiße Zündkerze aufweist und mit der außerdem die vorstehend erwähnten Schwierigkeiten überwunden und es ermöglicht wird, die effektiven Charakteristika dieser Unterverbrennungskammer in vollem Maße anzuwenden bzw. auszunutzen.

Eine Unterverbrennungskammer, mit der dieses Ziel erreicht wird, ist in den Patentansprüchen, insbesondere im Hauptanspruch angegeben.
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Die Vorteile der Erfindung werden anhand von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, die anhand der Zeichnung

erläutert werden, deutlicher; es zeigen: 15

Fig. 1, 2 und 3 Vertikalschnittansichten von Unterverbrennungskammern von konventionellen Brennkraftmaschinen ;

Fig. 4 und 5 Vertikalschnittansichten, die die Bauweisen

von Unterverbrennungskammern gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung veranschaulichen; und

Fig. 6 eine Veranschaulichung der Größen- bzw. Abmessungsbeziehung zwischen der heißen Zündkerze Pc und dem Metallring R einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Es sei darauf hingewiesen, daß in den Figuren der Zeichnung sowie in der nachfolgenden Beschreibung gleiche bzw. gleichartige Bezugszeichen für gleiche bzw. gleichartige Teile verwendet sind.

5 Es sei nun auf Fig. 4 Bezug genommen, wonach ein Kühlwasserkanal W und eine Unterverbrennungskammer F in einem Zylinderkopf H vorgesehen sind, außerdem sind eine Brenn-

Stoffeinspritzdüse N und eine Glühkerze G zum Verbessern der Startleistungsfähigkeit bzw. der Starteigenschaften in angemessenen Positionen in dem Zylinderkopf vorgesehen. Eine keramische heiße Zündkerze Pc ist in einem Anbringungsloch J für die heiße Zündkerze, das sich im Zylinderkopf H befindet, eingefügt und in diesem Anbringungsloch J befestigt, so daß die Zündkerze die Hälfte des Raumvolumens der Unterverbrennungskammer einnimmt. In dieser Konfiguration ist der Durchmesser des Anbringunslochs J für die heiße Zündkerze ein wenig größer als der Außendurchmesser der heißen Zündkerze Pc, so daß ein kleiner Zwischenraum L zwischen der äußeren Umfangsoberflache der heißen Zündkerze Pc und der Innenwandoberfläche des Anbringungslochs J für die heiße Zündkerze erzielt wird. Ein elastischer Ring oder ein Dichtungsring S mit einem C- oder S-förmigen Querschnitt ist zwischen dem oberen Ende der heißen Zündkerze Pc und der oberen Stirnwandstufe J1 des Anbringungslochs J für die heiße Zündkerze angeordnet, so daß auf diese Weise eine Abdichtung und eine Stoßabsorption sichergestellt 0 werden.

Demgemäß kann die heiße Zündkerze Pc, wie in Fig. 4 gezeigt ist» leicht im Zylinderkopf H installiert werden, indem man die Zündkerze von Hand in das Anbringungsloch J für die heiße Zündkerze einfügt. Nachdem der Zylinderkopf H auf dem Zylinderhauptteil T montiert worden ist, wird die heiße Zündkerze Pc in dem für diese heiße Zündkerze vorgesehenen Anbringungsloch H zwischen dem Abdichtungsrincj S und einem Abdichtungsteil K am unteren Ende gehalten. Im Falle der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform kann es, wenn der Zylinderkopf H, in den die heiße Zündkerze Pc in das Anbringungsloch J für diese heiße Zündkerze eingefügt worden ist, zum Zusammenbau des Motors montiert wird, dazu kommen, daß die heiße Zündkerze Pc aus dem Anbringungsloch J nach unten herausfällt, da sich die Zündkerze noch nicht in Kontakt mit dem Abdichtungsteil

K befindet. Das macht den Vorgang des Zusammenbaus des Motors schwierig. Um das Herausfallen der heißen Zündkerze Pc aus dem Anbringungsloch J für diese heiße Zündkerze nach unten zu verhindern, ist ein Verengungsstufenabschnitt D im unteren Umfangsabschnitt der heißen Zündkerze Pc ausgebildet, wie in der Ausführungsform gemäß Fig. 5 gezeigt ist, und ein Abschnitt Ja größeren Durchmessers ist im unteren Öffnungsabschnitt des Anbringungslochs J für die heiße Zündkerze ausgebildet, so daß ein Metallring R in dem Abschnitt Ja größeren Durchmessers angebracht wird und das untere Ende der heißen Zündkerze Pc mit dem Metallring R in Kontakt kommt. Daher ist es für eine bequemen Motorzusammenbau zu bevorzugen, diese Herabfallverhinderungsmethode anzuwenden. Selbst in diesem Fall wird die heiße Zündkerze Pc auch zwischen dem Abdichtungsring S am oberen Ende und dem Abdichtungsteil K/ beispielsweise einer Scheibe, einem Dichtring, einer Einsatzdichtung o. dgl., am unteren Ende gehalten. Infolgedessen sollte der Außendurchmesser A des Abschnitts M kleineren Durchmessers, der den Verengungsstufenabschnitt D der heißen Zündkerze • Pc bildet, kleiner als der Innendurchmesser B des Metallrings R sein, und die Länge X des Abschnitts M kleineren Durchmessers sollte größer als die Höhe Y des Metallrings R sein. Wenn die heiße Zündkerze Pc am unteren Ende durch das Abdichtungsteil K gehalten wird, dann ergibt sich ein kleiner Zwischenraum L1 zwischen der heißen Zündkerze Pc und dem Metallring R.

Die heiße Zündkerze Pc, die in dem Zylinderkopf installiert 0 ist und einen Teil der ünterverbrennungskammer F umfaßt, wie vorstehend beschrieben, sollte aus einem Keramikmaterial mit überragender Wärmebeständigkeit und Wärmeisolation hergestellt sein, und zwar besonders bevorzugt aus Silizium Nitrid (Si₀N.) oder Sialon (Si, Al₀N₀ O ), die

ο 4 D-X Z O—Z Z

außerdem eine überragende Widerstandsfähigkeit gegen Wärmestöße haben.

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Wie deutlich in den Fig. 4 und 5, welche Bauweisen und Unterverbrennungskammern F nach der vorliegenden Erfindung zeigen, veranschaulicht ist, ist ein Zwischenraum L vorgesehen, da der Außendurchmesser der heißen Zündkerze Pc kleiner als der Innendurchmesser des Anbringungslochs J für die heiße Zündkerze ist. Außerdem ist zu sagen, daß kleine Zwischenräume L und L1 von 0,01 bis 0,5 mm zwischen der äußeren Umfangsoberflache der heißen Zündkerze Pc und der inneren Umfangsoberflache des Anbringungslochs J für die heiße Zündkerze sowie zwischen der äußeren Umfangsoberfläche der heißen Zündkerze Pc und der inneren Umfangsoberflache des Metallrings R vorgesehen sind, da der Metallring R, dessen Innendurchmesser ein wenig größer als der Abschnitt M von kleinerem Durchmesser, welcher den Verengungsstufenabschnitt D bildet, ist, unter der heißen Zündkerze Pc angeordnet und die heiße Zündkerze Pc durch das Abdichtungsteile K angehoben ist.

Die heiße Zündkerze ist im Zylinderkopf H installiert und 0 umfaßt einen Teil der Unterverbrennungskammer F, wie oben beschreiben worden ist, und die heiße Zündkerze Pc selbst ist aus einer Substanz mit kleiner Wärmeleitfähigkeit hergestellt, so daß sie infolgedessen eine hohe Temperatur während des Motorbetriebs insbesondere während des Motorstartens aufrechterhalten bzw. beibehalten kann. Demgemäß steigt die Temperatur der Unterverbrennungskammer F sehr schnell an, so daß infolgedessen die Startleistungsfähigkeit verbessert wird bzw. die Starteigenschaften verbessert werden und der Motorbetrieb in einer kurzen Zeitdauer stabil wird. Weiterhin befindet sich die heiße Zündkerze Pc nicht in direktem Kontakt mit dem Zylinderkopf H, sondern tue befindet sich nur in Kontakt mit dem Abdichtungsring S am oberen Ende und mit dem Abdichtungsteil K am unteren Ende, da der kleine Zwischenraum L vorgesehen ist. Daher ist die Wärmeleitfähigkeit bzw. der Wärmeübergang von der heißen Zündkerze Pc zum Zylinderkopf H, der

eine niedrigere Temerpatur hat, minimal- Infolgedessen trägt dieser Aufbau in hohem Maße dazu bei, daß die Temperatur der heißen Zündkerze Pc ansteigt bzw. sehr schnell ansteigt. Weiterhin wird, wenn der Motor kontinuierlich betrieben und der Zylinderkopf H auf eine hohe Temperatur erhitzt wird, der Ausdehnungsbetrag, der sich aufgrund der Wärme ergibt, durch den kleinen Zwischenraum L aufgenommen, so daß auf diese Weise Kompressionsbeanspruchungen aufgrund von Wärmeausdehnung nicht auf die heiße Zündkerze Pc angewandt werden bzw. einwirken. Darüber hinaus wird der Ausdehnungsbetrag der heißen Zündkerze Pc in der Axialrichtung durch die Kontraktion des Abdichtungsrings S aufgenommen.

Wie oben beschrieben wurde, weist die ünterverbrennungskammer nach der Erfindung eine keramische heiße Zündkerze auf, die eine überragende Wärmebeständigkeit, eine überragende thermische Stoßfestigkeit und eine überragende Wärmeisolation hat, und die heiße Zündkerze befindet sich nicht in direktem Kontakt mit dem Zylinderkopf. Auf diese Weise werden Wärmebeanspruchungen, die durch hohe Temperatur und äußere Kräfte, welche durch thermische Deformation des Zylinderkopfs verursacht werden, hervorgerufen werden, nicht auf die heiße Zündkerze angewandt. Infolgedessen kann die Unterverbrennungskammer eine stabile Leistungsfähigkeit entwickeln und beibehalten, ohne daß die Gefahr von Rißbildung, Zerbersten und Abplatzen besteht. Als Ergebnis hiervon sind die Wirkungen der Unterbrennungskammer nach der Erfindung zur Verbesserung der Startleistungsfähigkeit bzw. Starteigeneigenschaften, des Verbrennungswirkungsgrad und der Zuverlässigkeit des Motors außerordentlich wesentlich.

Es sei darauf hingewisen, daß anstelle des Begriffs "heiße Zündkerze" auch der Begriff heiße Kerze, Kerze niederen Wärmewerts, Zündkerze niederen Wärmewerts, heißer Stopfen o. dgl. gesetzt werden kann.

Claims

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4441 JS/up

KYOCERA CORPORATION Kyoto, Japan

UNTERVERBRENNUNGSKAMMER EINER BRENNKRAFTMASCHINE

PATENTANSPRÜCHE

hj. Unterverbrennungskammer einer Brennkraftmaschine, die eine keramische heiße Kerze bzw. Zündkerze in einem Anbringungsloch für diese heiße Kerze bzw. Zündkerze in einem Zylinderkopf aufweist, wobei die Unterverbrennungskammer dadurch gekennzeichnet ist, daß die heiße Kerze bzw. Zündkerze (Pc) lose in dem Anbringungsloch (J) für diese heiße Kerze bzw. Zündkerze angebracht ist bzw. lose in diesem Anbringungsloch (J) sitzt, während sie einen kleinen Abstand (L) zwischen der heißen Kerze bzw. Zündkerze (Pc) und dem Anbringungsloch (J) hält, wobei ein elastischer Ring (S) zwischen dem oberen Ende der heißen Kerze bzw. Zündkerze (Pc) und der Wand des Anbringungslochs (J) für diese heiße Kerze bzw.

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Zündkerze (Pc) vorgesehen ist und zusammengedrückt wird, und wobei ein Abdichtungsteil (K) zwischen dem unteren Ende der heißen Kerze bzw. Zündkerze (Pc) und einem Zylinderhauptteil (T) vorgesehen ist, so daß dadurch die heiße Kerze bzw. Zündkerze (Pc) zwischen dem elastischen Ring (S) und dem Abdichtungsteil (K) gehalten wird bzw. gehaltert ist.
2. Unterverbrennungskammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Abschnitt der heißen Kerze bzw. Zündkerze (Pc) vor dem Anordnen des Abdichtungsteils (K) in Kontakt mit einem Metallring (R) ist, der zum Verhindern des Herabfallens der Kerze bzw. Zündkerze in das Anbringungsloch (J) für die' heiße Kerze bzw. Zündkerze (Pc) eingebaut ist, und daß ein kleiner Zwischenraum (L1) zwischen der heißen Kerze bzw. Zündkerze (Pc) und dem Metallring (R) vorgesehen bzw. vorhanden ist, nachdem das Abdichtungsteil angeordnet bzw. an Ort und Stelle plaziert ist. 20
3. Unterverbrennungskammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß eine verengte Stufe (D) um den äußeren Umfang des unteren Abschnitts der heißen Kerze bzw. Zündkerze (Pc) ausgebildet ist, daß ein Abschnitt (Ja) größeren Durchmessers am unteren Öffnungsabschnitt des Anbringungslochs (7) für die heiße Kerze bzw. Zündkerze (Pc) ausgebildet ist, und daß der Metallring (R) in den Abschnitt (Ja) größeren Durchmessers eingesetzt bzw. in dem Abschnitt (Ja) größeren Durchmessers anaebracht ist.
4. Unterverbrennungskammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Außendurchmesser (A) dos Abschnitts (M) kleineren Durchmessers, welcher die verengte Stufe (D) bildet, kleiner als der Innendurchmesser (B) des Metallrings (R) ist, und daß die

Länge (X) des Abschnitts (M) kleineren Durchmessers größer als die Höhe (Y) des Metallrings (R) ist.
5. Unterverbrennungskammer nach Anspruch 1 , 2,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß die heiße Kerze bzw. Zündkerze (Pc) aus Keramik mit überragender Wärmebeständigkeit, insbesondere aus Siliziumnitrid oder Sialon hergestellt ist.
6. Unterverbrennungskammer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die kleinen Zwischenräume bzw. Abstände (L) und (L1) einen Abstandsbereich von 0,01 bis 0,5 mm haben bzw. in einem Abstandsbereich von 0,01 bis 0,5 mm liegen.