DE2411213A1 - Verbrennungskraftmaschine mit vorkammer und schichtladung - Google Patents

Verbrennungskraftmaschine mit vorkammer und schichtladung

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Description

1, Toyota-cho, Toyota-shi, Aichi-ken, Japan
Verbrennungskraftmaschine mit Vorkammer und Schichtladung
Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit Vorkammer und Schichtladung, bei der die Vorkammer mit dem Hauptbrennraum in Verbindung steht und eine Schichtladung sowie eine entsprechende Verbrennung bewirkt, wodurch das gewünschte Betriebsverhalten in einem weiten Bereich der Last- und Betriebsbedingungen erreicht wird. Insbesondere betrifft die Erfindung einen
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Verbrennungsraum für eine Verbrennungskraftmaschine mit Schichtladung.
Um die Schichtladung aus fettem und magerem Luft-Brennstoff-Gemisch im Brennraum auszubilden, benötigen herkömmliche Verbrennungskraftmaschinen mit Schichtladung entweder zwei Vergaser oder einen Vergaser in Kombination mit einer Einrichtung zur Brennstoffdirekteinspritzung. Diese Einrichtungen haben sich jedoch aufgrund der sich insgesamt ergebenden Kompliziertheit des Brennstoff zufuhrsystems als ungeeignet erwiesen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsraum zu schaffen, ^.er die obengenannten Nachteile vermeidet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch einen von Wänden begrenzten Hauptbrennraum, eine Vorkammer, die mit dem Hauptbrennraum über einen Durchlass in Verbindung steht, einen ersten Kanal, der die Einspeisung eines fetten Luft-Brennstoff-Gemisches in den Hauptbrennraum ermöglicht, und einen zweiten Kanal, der die Einspeisung von Luft in den Hauptbrennraum ermöglicht, wobei der erste Kanal und der zweite Kanal in der Wand bzw. den Wänden des Hauptbrennraumes ausgebildet sind und der erste Kanal mit dem Hauptbrennraum an einer Stelle in Verbindung steht, die dicht bei dem Durchlass liegt, so dass durch den ersten Kanal in den Hauptbrennraum eingespeistes fettes Luft-Brennstoff-Gemisch durch den Durchlass in die Vorkammer strömt.
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Bei der erfindungsgemässen Verbrennungskraftmaschine ist ein Hauptbrennraum vorgesehen, der nahe einem Ende des Zylinders angeordnet ist. Sowohl ein Luftkanal als auch ein Kanal für Luft-Brennstoff-Gemisch münden in den Hauptbrennraum. Der«Motor weist ferner eine Vorkammer auf, die nahe bzw. neben dem Hauptbrennraum angeordnet ist und über einen Durchlassi'mit diesem in Verbindung steht. Der Durchlass mündet in den Hauptbrennraum in der Nähe der Öffnung bzw. Mündung des Kanals für das Luft-Brennstoff-Gemisch, so dass das Luft-Brennstoff-Gemisch der Vorkammer zugeführt und in dieser verbrannt wird.
Durch die verbesserte, erfindungsgemässe Verbrennungskraftmaschine mit Schichtladung werden die erwähnten Nachteile behoben. Insbesondere ermöglicht die Erfindung die Verwendung eines einzigen Vergasers für das Brennstoffzufulirsytem, so dass nicht nur eine Steuerung der Leistung möglich ist, indem lediglich die Drosselklappe des Vergasern verstellt wird, sondern auch eine Vorverdichtung ermöglicht ist.
Bei der Erfindung handelt es sich somit insbesondere um eine verbesserte Verbrennungskraftmaschine, die mit einer Vorkammer versehen ist, die mit dem Hauptbrennraum über οinen Durchlass in.Verbindung steht, wobei die Vorkammer mit einem fetten Luft-Brennstoff-Gemisch gespeist wird, das in der Vorkammer verbrannt wird und in den Hauptbrennraum hinein expandiert, so dass eine Schichtladung und dieser entsprechende Verbrennung erzeugt wird, wodurch ermöglicht wird, dass ein einziger Vergaser optimal und zufriedenstellend in einem weiten
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Bereich von dem Motor aufgeprägten Last- und Betriebsbedingungen arbeitet.
In der folgenden Figurenbeschreibung werden bestimmte Ausdrücke verwendet, die lediglich der Klarheit der Erläuterung dienen und nicht einschränkend gemeint sind. Beispielsweise beziehen sich die Ausdrücke "nach rechts", "nach links", "nach oben" und "nach unten" auf Richtungen in den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. Die Ausdrücke "nach innen" und "nach aussen" beziehen sich auf Richtungen zum bzw. weg vom geometrischen Mittelpunkt der Vorrichtung bzw. deren bezeichneter Teile. Diese Terminologie umfasst die hier ausdrücklich erwähnten Ausdrücke, deren Ableitungen und Ausdrücke ähnlicher Bedeutung.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen ausschnittsweisen Schnitt durch ein
Ende eines Zylinders, wobei insbesondere die erfindungsgemäss verbesserte Ausbildung eines Verbrennungsräumes gezeigt ist; und
Fig. 2 einen Schnitt nach A-A in Fig. 1.
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In Fig. 1 ist ein Zylinder 1 gezeigt, in dem eine Zylinderbohrung 1a ausgebildet ist, in der ein herkömmlicher Kolben 2 verschiebbar angeordnet ist. Der Zylinder 1 ist mit einem Zylinderkopf 4 verbunden, wobei eine herkömmliche Zylinderkopfdichtung 3 zwischen beiden angeordnet ist. Im Zylinderkopf 4 ist eine Ausnehmung ausgebildet, die mit der Zylinderbohrung 1a fluchtet und zusammen mit der Oberseite des Kolbens 2 einen Hauptbrennraum 5 begrenzt. Bei der dargestellten Ausführungsform' ist der Haupt brennraum 5 abgestuft und umfasst einen zylindrischen Abschnitt 6 mit grossem Durchmesser, der unmittelbar oberhalb der Oberseite des Kolbens 2 angeordnet ist und dessen Achse in gleicher Richtung verläuft wie die Längsachse der Zylinderbohrung. Der Hauptbrennraum 5 umfasst ferner einen zylindrischen Abschnitt mit kleinem Durchmesser, der im Zylinderkopf ausgebildet ist und einen wesentlich kleineren Durchmesser als der zylindrische Abschnitt 6 hat. Der kleine zylindrische Abschnitt 7 ist relativ zum grossen zylindrischen Abschnitt 6 exzentrisch versetzt.
Der Zylinderkopf 4 weist einen ersten Kanal 8 auf, der in den Hauptbrennraum 5 mündet und dazu dient, ein fettes Luft-Brennstoff-Gemisch dem Brennraum zuzuführen. Die Mündung des Kanals 8 ist in der Stirnwand des grossen zylindrischen Abschnitts 6 ausgebildet und steht direkt mit dem grossen zylindrischen Abschnitt 6 an einer Stelle in Verbindung, die einen gewissen Abstand von dem kleinen zylindrischen Abschnitt 7 hat. Der Zylinderkopf 4 trägt verschiebbar ein herkömmliches Einlassventil 9t das dazu dient, die Strömung des Luft-Brennstoff-Gemisches
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durch den Kanal 8 in den Brennraum 5 zu steuern, wobei das Einlassventil 9 bewirkt, dass das fette Luft-Brennstoff -Gemisch in den Hauptbrennraum strömt.
Im Zylinderkopf k ist ferneij4in Kanal 11 ausgebildet, der ermöglicht, dass Luft in den Hauptbrennraum 5 eingespeist wird. Die Öffnung des Kanals 11 ist in der Stirnwand des kleinen zylindrischen Abschnitts 7 ausgebildet, so dass dieser Luftkanal 11 direkt in den kleinen zylindrischen Abschnitt 7 mündet. Der Zylinderkopf k trägt verschiebbar ein Lufteinlassventil 10, das dazu dient, das Einströmen von Luft durch den Kanal 11 in den Hauptbrennraura 5 zu steuern. Ferner ist im Zylinderkopf k ein Auslass- bzw. Abgaskanal 13 ausgebildet, der so angeordnet ist, dass er direkt mit dem kleinen zylindrischen Abschnitt 7 über eine Öffnung in Verbindung· steht, die in dessen Stirnwand ausgebildet ist. Zu dieser Öffnung gehört ein verschiebbares Auslassventil 12, das dazu dient, die Strömung der Abgase aus dem Hauptbrennraura 5 in den Abgaskanal 13 zu steuern.
Der Zylinder 1 weist ferner eine Vorkammer i4 aif, die ihm zugeordnet ist und neben dem Hauptbrennraum 5 angeordnet ist. Diese Vorkammer 14 steht mit dem Hauptbrennraum über einen Durchlass 15 in Verbindung, der in den zylindrischen Abschnitt 6 des Hauptbrennraumes 5 neben der Mündung des Kanals 8 für das Luft-Brennstoff-Gemisch mündet. Zu der Vorkammer lk gehört eine herkömmliche Zündkerze 16.
Im folgenden wird die Funktionsweise einer erfindungsge-
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mass ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine kurz beschrieben, um das vollständige Verständnis der Erfindung zu erleichtern.
Wenn sich der Kolben 2 nach unten bewegt, bewirkt der in der Zylinderbohrung erzeugte Unterdruck, dass fettes Luft-Brennstoff-Gemisch in den Hauptbrennraum 5 einströmt. Dieses fette Luft-Brennstoff-Gemisch strömt aus dem Kanal 8 durch das Einlassventil in den Hauptbrennraum 5« Das einströmende Luft-Brennstoff-Gemisch wird durch das Einlassventil 9 in der Weise abgelenkt, dass es mit sehr hoher Geschwindigkeit über die Stirnfläche und die Seitenflächen des Hauptbrennraumes 5 strömt. Während das fette Luft-Brennstoff-Gemisch über die Seitenflächen des Verbrennungsraumes strömt, strömt es auch in unmittelbarer Nähe des Durchlasses 15 vorbei, der sich nahe bei der Mündung des Kanals 8 befindet. Aufgrund einer ähnlichen Wirkung wie beim Pfeifen strömt ein Strom aus fettem Luft-Brennstoff-Gemisch vom Hauptbrennraum 5 durch den Durchlass 15 in die Vorkammer 1^. Gleichzeitig werden die verbrannten, in der Vorkammer verbliebenen Abgase aus rtieser durch den Durchlass 15 in den Hauptbrennraum ausgetrieben.
Während des Saughubes des Kolbens 2 wird ferner aus dem Kanal 11 über das Lufteinlassventil 10 Luft in den Hauptbrennraum 5 eingesaugt. Die einströmende Luft wird durch das Ventil 10 in der Weise abgelenkt, dass sie mit sehr hoher Geschwindigkeit über die Stirnfläche und die Seitenflächen des zylindrischen Abschnitts 7 mit kleinem Durchmesser strömt. Diese Strömung erfolgt
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im wesentlichen in der durch die Pfeile Q in Fig. 1 angedeuteten Weise, wobei sich die einströmende Luft von dem zylindrischen Abschnitt 7 mit kleinem Durchmesser in den zylindrischen Abschnitt 6 mit grossera Durchmesser nach unten bewegt. Da jedoch der Luftkanal 11 unmittelbar in den kleinen zylindrischen Abschnitt 7 mündet, der im wesentlichen dem Durchlass 15 diametral gegenüberliegt und daher fern von diesem angeordnet ist, bewegt sich die aus dem Kanal 11 einströmende Luft nach unten in den Hauptbrennraum 5> ohne in.die Nähe des Durchlasses 15 zu strömen. Daher strömt .die einströmende Luft nicht in die Vorkammer lh.
Ferner führt der einströmende Strom aus Luft-Brennstoff-Gemisch, der aus dem Kanal 8 über das Einlassventil 9 strömt, dazu, dass ein Teil des einströmenden Luft-Brennstoff -Gemisches von dem Einlassventil in der Weise abgelenkt wird, dass er mit hoher Geschwindigkeit über die Stirnfläche des grossen zylindrischen Abschnitt in Richtung auf den kleinen zylindrischen Abschnitt 7 strömt. Dieser abgelenkte Teil des einströmenden Luft-Brennstoff-Gemisches, der nach rechts in Fig. 1 strömt, trifft auf den einströmenden Storm frischer Luft, der aus dem Kanal 11 einströmt und nach unten über die innere Seitenwand des zylindrischen Abschnitts 7 mit kleinem Durchmesser bewegt wird. Dieses Auftreffen des Stromes aus Luft-Brennstoff-Gemisch auf den Luftstrom führt dazu, dass beide Ströme abgelenkt werden, so dass das fette Luft-Brennstoff -Gemisch nach unten und nach aussen in den Hauptbrennraum im wesentlichen in der durch den Pfeil P gezeigten Weise strömt, während der Luftstrom ebenfalls
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nach unten und nach aussen in den Hauptbrennraum strömt, wie dies durch die Richtung des Pfeiles Q gezeigt ist. Das beschriebene Strömungsbild der einströmenden Luft unddes einströmenden Luft-Brennstoff-Gemische tritt während des Saughubes im Zylinder auf.
Während des Verdichtungshubes des Motors, d.h. während der Aufwärtsbewegung des Kolbens, wird das beschriebene Strömungsbild gestört und unterbrochen*; so dass dies dazu führt, dass das fette Luft-Brennstoff-Gemisch und die Luft miteinander gemischt werden, wodurch ein im wesentlichen gleichmässiges, jedoch mageres Luft-Brennstoff -Gemisch im gesamten Hauptbrennraum 5 erzeugt wird.
Demzufolge führt dies dazu, dass die Vorkammer 14 noch mit einem verhältnismässig fetten Luft-Brennstoff-Gemisch gefüllt ist, wogegen der Hauptbrennraum 5 mit einem mageren Luft-Brennstoff-Gemisch gefüllt ist, das ferner die restlichen, zuvor aus der Vorkammer lh ausgetriebenen Abgase enthält.4
Wenn sich der Kolben 2 während des Verdichtungshubes nach oben bewegt und sich seinem oberen Totpunkt nähert, wird das fette Luft-Brennstoff-Gemisch in der Vorkammer lh leicht durch die Zündkerze 16 gezündet. Die durch die Zündung des fetten Luft-Brennstoff-Gemisches in der Vorkammer I^ erzeugten Flammen treten durch den Durchlass 15 leicht in den Hauptbrennraum 5 ein, wodurch das darin enthaltene magere Luft-Brennstoff-Gemisch gezündet wird. Auf diese Weise wird die bekannte Schichtladung
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und entsprechende Verbrennung erreicht.
In der Regel werden das Einlassventil 9 und das Lufteinlassventil 10 während des Saughubes im wesentlichen gleichzeitig geöffnet, beispielsweise durch die gleiche Ventilsteuerung. Wenn jedoch aus dem Kanal 11 in den Hauptbrennraum 5 verdichtete Luft eingesaugt wird, um eine Aufladung zu bewirken, kann dem Brennraum in der Regel selbst dann eine ausreichende Menge von Luft zugeführt werden, wenn das Lufteinlassventil 10 für einen kürzeren Zeitraum als das Einlassventil 9 geöffnet wird. Daher kann das Lufteinlassventil 10 in der Weise betätigt werden, dass es nach dem Öffnen des Einlassventils 9 öffnet, so dass Luft aus dem Kanal in den Hauptbrennraum 5 eingelassen wird, nachdem die Vorkammer bereits gespült und durch fettes Luft-Brennstoff -Gemisch aus dem Kanal 8 gefüllt worden ist. Diesesverzögerte Offen des Lufteinlassventils 10 führt dazu, dass die Vorkammer 14 anfänglich wirksam mit dem fetten Luft-Brennstoff-Gemisch gefüllt o/ird, wodurch das Eintreten von Luft in die Vorkammer I** verhindert wird. Ferner ermöglicht das Aufladen des Motors durch die Zufuhr von verdichteter Luft aus dem Kanal 11, daß der Motor erfolgreich mit einem mageren Luft-Brennstoff-Gemisch arbeitet, da dies nicht nur die abgegebene Leistung erhöht, sondern ferner auch Fehlzündungen des Gemisches durch den Anstieg des Drucks des Gemisches verhindert.
Obwohl zwar bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Hauptbrennraum eine abgestufte, doppelzylindrische Form hat, kann jedoch die Erfindung auch bei Verwendung
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eines Hauptbrennraumes mit anderen Formen realisiert werden, solange die aus dem Lufteinlassventil eingesaugte Luft daran gehindert wird, in die Vorkammer einzutreten. Zu diesem Zweck kann der Hauptbrennraum mit einer darin befindlichen Ablenkfläche versehen sein, die neben der Mündung des Luf.tkanals angeordnet ist und dazu dient, die einströmende Luft nach unten in den Brennraum zu leiten, wodurch verhindert wird, dass die einströmende Luft direkt in Verbindung mit der Vorkammer kommt. Eine solche Ablenkfläche wäre somit im wesentlichen gleichwirkend wie die innere zylindrische Wand die durch den zylindrischen Abschnitt 7 mit kleinem Durchmesser gebildet wird.
Die Erfindung hat somit sowohl die Merkmals einer Verbrennung mit fettem Luft-Brennstoff-Gemisch als auch einer Verbrennung mit magerem Luft-Brennstoff-Gemisch. Die Erfindung kann nicht nur die Mengen schädlicher Bestandteile der Abgase, wie beispielsweise unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Stickstoffperoxid, vermindern, sondern ferner den Wirkungsgrad durch einen Anstieg der Reaktionsgeschwindigkeit der Verbrennung verbessern. Durch Ausnutzen der dem Pfeifen ähnlichen Wirkung werden ferner die restlichen Abgase in der Vorkammer mit Sicherheit ausgespült, wodurch bei einem Motor mit nur einem Vergaser ermöglicht wird, dass ein fettes Luft-Brennstoff-Gemisch in der Vorkammer und ein mageres Luft-Brennstoff-Gemisch· im Hauptbrennraum vorhanden sind. Die Erfindung ermöglicht ferner einen Betrieb mit Aufladung durch Einspeisung eines kleinen Volumens verdichteter Luft aus dem Lufteinlasskanal. Die
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Erfindung ermöglicht somit, dass eine grosse Anzahl von wünschbaren Verbrennungsabläufen durchgeführt werden, wobei nur ein einziger dem Zylinder bzw. den Zylindern zugeordneter Vergaser verwendet zu werden braucht.
Obwohl zum Zwecke der Erläuterung eine bestimmte, bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ausführlich beschrieben worden ist, liegt es auf der Hand, dass Veränderungen und Abwandlungen der beschriebenen Vor^ richtung, einschliesslich einer Umordnung der Teile, im Rahmen der Erfindung liegen.
Patentansprüche:
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    Verbrennungsraum für eine Verbrennungskraftmaschine mit Schichtladung, gekennzeichnet durch einen von Wänden begrenzten Hauptbrennraum (5)> eine Vorkammer (i^), die mit dem Hauptbrennraum über einen Durchlass (15) inVerbindung steht, einen ersten Kanal (8), der die Einspeisung eines fetten Luft-Brennstoff-Gemisches in den Hauptbrennraum ermöglicht, und einen zweiten Kanal (11),der die Einspeisung von Luft in den Hauptbrennraum ermöglicht, wobei der erste Kanal und der zweite Kanal in der Wand bzw, den Wänden des Hauptbrennraumes ausgebildet sind und der erste Kanal mit dem Hauptbrennraum an einer Stelle in Verbindung steht, die dicht bei dem Durchlass (15) liegt,so dass durch den ersten Kanal in den Hauptbrennraum eingespeistes fettes Luft-Brennstoff-Gemisch durch den Durchlass in die Vorkammer strömt.
    2. Verbrennungsraum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kanal (11) mit dem Hauptbrennraum
    (5) an einer Stelle in Verbindung steht, die von dem Durchlass (15) entfernt liegt.
    3. Verbrennungsraum nach Anspruch 1 Oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kanal (8) mit dem Hauptbrennraum (5) an einer Stelle in Verbindung steht, die zwischen dem Durchlass (15) und der Mündung des zweiten Kanals (11) liegt.
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    k. Verbrennung«raum nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände eineoder mehrere Ablenkwände umfassen» die dem Hauptbrennraum (5) zugeordnet und nahe der Mündung bzw. Öffnung das zweiten Kanals (8) angeordnet sind und dazu dienen, die einströmende Luft vom-Durchlass (15) wegzuleiten.
    · Verbrennungsraum nach einem der Ansprüche 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptbrennraum (5) einen ersten Abschnitt (6) mit im wesentlichen grossem Durchmesser umfasst, dass der Durchlass (15) direkt mit dem ersten zylindrischen Abschnitt an einer Seite in Verbindung steht, dass der Hauptbrennraum einen zweiten Abschnitt (7) umfasst, der im wesentlichen nahe der anderen, diametral gegenüberliegenden Seite des ersten zylindrischen Brennraumes liegt und in Axialrichtung vom ersten zylindrischen Abschnitt hervorragt, dass der zweite Abschnitt einen wesentlich kleineren Querschnitt als der erste zylindrische Abschnitt hat und dass der zweite Kanal (ii) direkt mit dem zweiten Abschnitt (7) in Verbindung steht.
    6. Verbrennungsraum nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kanal (8) direkt mit dem ersten zylindrischen Abschnitt (6) an einer Stelle in Verbindung 3teht, die zwischen dem Durchlass (15) und dem zweiten Abschnitt (7) liegt.
    7. Verbrennungsraum nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (7) ebenfalls zylindrisch ist, einen wesentlich kleineren Durchmesser als der erste zylindrische Abschnitt hat und relativ
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    zu diesem exzentrisch angeordnet ist.
    8. Verbrennungsraum nach einem der Ansprüche 1 bis 7> gekennzeichnet durch eine der Vorkammer (1^) zugeordnete Zündeinrichtung (i6) zum Zünden des in der Vorkammer befindlichen fetten Luft-Brennstoff-Gemisches.
    9. Verbrennungsraum nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptbrennraum
    (5) wenigstens teilweise durch eine im wesentlichen zylindrische Seitenwand und eine axiale Stirnwand begrenzt wird, dass der Durchlass (15) niit dem Hauptbrennraum durch eine der Wände hindurch verbunden ist und dass der erste Kanal (8) durch die andere Wand hindurch mit dem Hauptbrennraum verbunden ist, so dass der Durchlass (15) und der erste Kanal jeweils Auslassöffnungen bilden, die einander dicht benachbart sind und im wesentlichen quer zueinander verlaufen.
    10. Verbrennungsraum nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlass (15) durch die Seitenwand hindurch geht, dass der erste Kanal (8) mit dem Hauptbrennraum über eine in der Stirnwand ausgebildete Auslassöffnung in Verbindung steht, dass die zum ersten Kanal gehörende Auslassöffnung ungefähr zwischen dem Durchlass und dir Auslassöffnung des zweiteri Kanals angeordnet ist und dass dem ersten&anal und dem zweiten Kanal jeweils bewegbare Ventile (9,12) zugeordnet sind, die die. Strömung durch die jeweiligen Auslassöffnungen steuern können.
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    Leerseite
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