DE2454813A1

DE2454813A1 - Fackelgezuendeter hubkolbenverbrennungsmotor

Info

Publication number: DE2454813A1
Application number: DE19742454813
Authority: DE
Inventors: Yasuhiko Nakagawa; Yasuo Sakai
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1973-11-20
Filing date: 1974-11-19
Publication date: 1975-07-03
Also published as: JPS5078706A; FR2251704B1; US4009692A; FR2251704A1; GB1467060A

Description

Patentanwälte a. grünecker

DIPL.-ING.

H. KINKELDEY

DR.-INQ.

W. STOCKMAIR

DR.-ING. · AeE(CALTECH)

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t-T OH Q [ V DR. RER. NAT. · DIPL.-.PHYS.

P. H. JAKOB

DIPL.-INQ.

- G. BEZOLD

DR. RER. NAT. · DIPL.-CHEM.

MÜNCHEN E. K. WEIL

DR. RER. OEC, ING.

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MÜNCHEN 22

MAXIMILIANSTRASSE 43

19. Nov. 1974 P 8756

Nissan Motor Co., Ltd.

No. 2, Takara-machi, Kanagawa-ku, Yokohama City, Japan

Fackelgezündeter Hubkolbenverbrennungsmotor

Die Erfindung betrifft einen fackelgezündeten Hubkolbenverbr ennungsmot or .

Fackelgezündete Hubkolbenverbrennungsmotoren haben zusätzlich zu einem Hauptbrennraum zwischen einem Zylinder-

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TELEFON (OS9) 32 28 Θί2 TELEX 05-23 380 TELESRAMME MONAPAT

kopf und einem Kolben in einem Zylinder eine Vorkammer bzw. einen Nebenbrennraum, der mit kraftstoffreichem Gemisch, d.h. einem Kraftstoff-Luftgemisch, das fetter als das dem Hauptbrennraum eingespeiste Gemisch ist, gespeist wird. Der Haupteinlaßkanal bzw. das Einlaßventil für den Hauptbrennraum ist so konstruiert und angeordnet, daß dem einströmenden kraftstoffarmen Gemisch eine Rotation erteilt wird, was zu einer wirbelnden Strömung des kraftstoffarmen Gemischs um die Zylinderachse führt. Die Vorkammer, die im Zylinderkopf ausgebildet ist, ist mit dem Hauptbrennraum über einen Kanal verbunden. Eine Zündkerze ist in der Vorkammer angeordnet und dient dazu, die Zündung darin befindlichen kraftstoffreichen Gemischs einzuleiten. Die Verbrennungsprodukte stoßen als Flammenfackel durch den Kanal in den Hauptbrennraum, damit sie das in dem Zylinder wirbelnde kraftstoffarme Gemisch zünden.

Motoren der beschriebenen Konstruktion können bei zweckmäßiger Auslegung so arbeiten, daß die Emission von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid niedrig ist. Es sind daher Untersuchungen durchgeführt worden, um zu bestimmen, welche Auslegungsparameter einen wesentlichen Einfluß auf die Emission von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid und den spezifischen Kraftstoffverbrauch eines Motors der beschriebenen Art haben. Aus den Ergebnissen einer Reihe von Versuchen mit dem Motor ist erkannt worden, daß das Verhältnis des Volumens der Vorkammer zum gesamten Verdichtungsraum _t d.h. dem zusammengefaßten Volumen aus Vorkammervolumen, Volumen des Hauptbrennraumes beim oberen Totpunkt und Volumen des die Vorkammer und den Hauptbrennraum verbindenden Kanals, das Verhältnis der Fläche eines unter rechtem

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Winkel durch den Kanal gelegten Querschnitts desselben zum Volumen der Vorkammer, das Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Kanals und der Winkel (Z) zwischen einer axialen Ebene, in der der Kanal liegt, und einer axialen Ebene, die durch die Zylinderachse und die Mündung des Kanals verläuft, einen wesentlichen Einfluß auf die Emission von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid und den spezifischen Kraftstoffverbrauch des Motors haben.' .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die erwähnten Erkenntnisse dazu auszunutzen, bei einem Verbrennungsmotor der beschriebenen Art den Brennraum so auszubilden, daß sich niedrige Werte der Emission von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid und des Kraftstoffverbrauchs ergeben.

Diese Aufgabe wird bei einem fackelgezündeten Hubkolbenverbrennungsmotor gelöst durch einen Zylinderkopf, einen vom Zylinderkopf abgeschlossenen Zylinder, einen hin- und herbewegbar im Zylinder angeordneten Kolben, einen zwischen dem Kolben und dem Zylinderkopf ausgebildeten Hauptbrennraum, eine Vorkammer, einen die Vorkammer und den Hauptbrennraum verbindenden Kanal, einen ventilgesteuerten Haupteinlaßkanal, der zum Hauptbrennraum führt und diesem kraftstoffarmes Gemisch einspeisen kann und so ausgebildet ist, daß dem einströmenden kraftstoffarmen Gemisch eine Rotation erteilt wird, während es in den Hauptbrennraum eintritt, einen ventilgesteuerten Auslaßkanal, der an den Hauptbrennraum angeschlossen ist, einen ventilgesteuerten Nebeneinlaßkanal, der zur Vorkammer führt und dieser kraftstoffreiches Gemisch einspeisen kann, und eine in der Vorkammer angeordnete Zünd-

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kerze, wobei das Verhältnis des Volumens der Vorkammer zum gesamten Verdichtungsvolumen 6 bis 15% beträgt, das Verhältnis der Fläche eines unter rechtem Winkel durch den Kanal gelegten Querschnitts desselben zum

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Volumen der Vorkammer zwischen 0,07 cm /cm ν und 0,3 cm /cm liegt, das Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Kanals zwischen 0,5 und 3,0 liegt und wobei der Kanal in einer axialen Ebene liegt, die relativ zu einer axialen Ebene durch die Zylinderachse und die Mündung des Kanals in Richtung der wirbelnden Strömung mageren Gemischs im Hajptbrennraum um nicht mehr als 60° und in zur wirbelnden Strömung entgegengesetzter Richtung um nicht mehr als 15 verdreht ist.

Es ist durch die Erfinder experimentell nachgewiesen worden, daß niedrige Werte der Emission von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid und günstiger Kraftstoffverbrauch dadurch erreicht werden, daß das Verhältnis des Vorkammervolumens zum gesamten Verdichtungsraum zwischen 6% und 15%, das Verhältnis der Fläche eines unter rechtem Winkel durch den Kanal gelegten Querschnitts desselben zum

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Volumen der Vorkammer zwischen 0,07 cm /cm und 0,3 cm /cm , das Verhältsnis von Länge zu Durchmesser des Kanals zwischen 0,5 und 3,0 und der Winkel Z nicht größer als 60° in Richtung der wirbelnden Strömung des mageren Gemische' und nicht größer als 15° entgegengesetzt zur Richtung der Strömung gewählt werden.

Es wurde festgestellt, daß eine Änderung des Verhältnisses des Volumens der Vorkammer zum gesamten Verdichtungsraum von einer Änderung des Hubvolumens je Zylinder abhängt. Je mehr das.Hubvolumen je Zylinder zunimmt, desto mehr nimmt das optimale Verhältnis des Volumens der Vor-

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kammer zum gesamten Verdichtungsraum ab. Bei einem Motor mit einem Hubvolumen Je Zylinder von nicht weniger als 500 cm wurde ein Wert von 6% oder nahe 6% als optimal ermittelt, und bei einem Motor mit einem Hubvolumen je Zylinder von nicht über 400 cm ist ein Wert von 15% oder nahe 15% optimal. Nur die Versuchsergebnisse für einen Motor mit einem Hubvolumen je

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Zylinder zwischen 400 cm und 500 cm sind in Fig.

dargestellt, die zeigt, daß 10% ein optimaler Wert ist, da .die Emission von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid dabei am niedrigsten ist, während gleichzeitig der günstigste Kraftstoffverbrauch erreicht wird.

Vier verschiedene Ausbildungen des Kanals wurden untersucht, die schematisch in den Figuren 7A bis 7D dargestellt sind und zu denen eine in Fig. 7A gezeigte zylindrische Bohrung gehört. Es wurde festgestellt, daß die vier untersuchten Ausbildungen die gleiche Wirkung auf die Emission von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid und auf den spezifischen Kraftstoffverbrauch haben. Daher wurde die zylindrische Bohrung gewählt, wobei berücksichtigt wurde, daß diese im Vergleich mit den anderen drei Ausbildungen leichter hergestellt werden kann. Das optimale Verhältnis der Fläche eines unter rechtem Winkel durch den Kanal gelegten Querschnitts desselben zum Volumen der Vorkammer wurde durch Untersuchungen an verschiedenen zylindrischen Bohrungen bestimmt. Die Ergebnisse sind graphisch dargestellt (siehe Fig. 4). Diese Darstellung zeigt, daß die Emission von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid und der spezifi-

2 sehe Kraftstoffverbrauch im Bereich von 0,07 bis 0,3 cm /cm am niedrigsten sind.

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Während der Untersuchungen wurde festgestellt, daß das Verhältnis des Volumens der Vorkammer zum gesamten Verdichtungsraum und das Verhältnis der Fläche eines unter rechtem Winkel durch den Kanal gelegten Querschnitts desselben zum Volumen der Vorkammer nicht allein entscheidende Parameter sind, da durch Auswahl der zwei genannten Verhältnisse innerhalb der jeweils bestimmten, optimalen Bereiche nicht immer niedrige Werte der Emission von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid sowie des Kraftstoffverbrauchs erreicht werden.

Daher wurden ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser, d.h. L/D (siehe Fig. 5), des Kanals und ein Winkel Z zwischen einer axialen Ebene, in der die Flammenfackel mündet, und einer axialen Ebene, die durch die Zylinderachse und die Mündung des Kanals geht, untersucht; die Ergebnisse sind graphisch in den Figuren 5. und 6 dargestellt. Es wurde nachgewiesen, daß ein niedrigerer Wert des spezifischen Kraftstoffverbrauchs erreicht wird, wenn das Verhältnis L/D im Bereich zwischen 0,5 bis 3,0 liegt und daß ein niedrigerer Wert der Emission von Kohlenwasserstoffen erreicht wird, wenn der Winkel Z innerhalb eines. Winkelbereichs zwischen 60 in Richtung der wirbelnden Strömung des einströmenden mageren Gemischs im Zylinder und in zur Richtung der Wirbelströmung des einströmenden mageren Gemischs im Hauptbrennraum entgegengesetzter Richtung liegt.

Durch die Erfindung wird somit das Ziel angestrebt und erreicht, einen fackelgezündeten Hubkolbenverbrennungsmotor der oben beschriebenen Konstruktion zu schaffen, bei dem eine besonders günstige Verbrennung innerhalb eines Zylinders bei gleichzeitig verhältnismäßig niedrigen Werten der Emission von Kohlenwasserstoffen und Kohlen-

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monoxid und verhältnismäßig niedrigem Kraftstoffverbrauch sichergestellt sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen teilweisen axialen Querschnitt durch einen Zylinder eines erfindungsgemäßen, fackelgezündeten Hubkolbenverbrennungsmotors, wobei die Anordnung aus einem Hauptbrennraum und einer Vorkammer dargestellt ist, die mit dem Hauptbrennraum durch einen Kanal in Verbindung steht;

Fig. 2 eine Ansicht des Zylinderkopfes vom Kolben aus, die die Anordnung einer Einlaßöffnung, einer Auslaßöffnung und einer Mündung bei dem in Fig. 1 gezeigten Motor zeigt;

Fig. 3 ein Diagramm von Versuchsergebnissen, das die Emission von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid sowie den spezifischen Kraftstoffverbrauch in Abhängigkeit vom Verhältnis des Vorkammervolumens zum Verdichtungsvolumen !zeigt, wobei die Wirkung einer Änderung dieses Verhältnisses auf die Emission von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid und den spezifischen Kraftstoffverbrauch erkennbar sind;

Fig. 4 ein Diagramm von Untersuchungsergebnissen,

das die Emission von Kohlenwasserstoffen und

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Kohlenmonoxid sowie den spezifischen Kraftstoffverbrauch in Abhängigkeit vom Verhältnis der Fläche eines unter rechtem Winkel durchden Kanal gelegten Querschnitts desselben zum Volumen der Vorkammer zeigt, wobei die Wirkung der Änderung dieses Verhältnisses auf die Emission von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid und den spezifischen Kraftstoffverbrauch erkennbar ist;

Fig. 5 ein Diagramm, das die Wirkung der Änderung von L/D auf den spezifischen Kraftstoffverbrauch zeigtτ

Fig. 6 ein Diagramm, das die Wirkung einer Änderung des Winkels Z auf die Emission von Kohlenwasserstoffen zeigt; und

Figuren 7A bis 7D schematische Darstellungen von

vier verschiedenen,untersuchten Ausbildungen des Kanals.

Im folgenden wird auf die Figuren 1 und 2 der Zeichnungen eingegangen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen und ein fackelgezündeter Hubkolbenverbrennungsmotor dargestellt ist. Ein Kolben 10, der sich in nicht dargestellter, herkömmlicher Weise hin- und herbewegen kann, ist in einem Zylinder 12 des Motors angeordnet. Der Zylinder 12 wird von einem Zylinderkopf 14 abgeschlossen, in dem ein ventilgesteuerter Haupteinlaßkanal 16, der zu einem Hauptbrennraum 18 führt und dem Hauptbrennraum 18 zwischen dem Zylinderkopf 14 und dem

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Kolben 10 kraftstoffarmes Gemisch zuführt, und ein Auslaßkanal 20 angeordnet sind, der ebenfalls zum Hauptbrennraum 18 führt. Der Haupteinlaßkanal 18 ist als Wirbelkanal ausgebildet, damit dem einströmenden, kraftstoff armen Gemisch eine Wirbelbewegung aufgeprägt wird, während es in den Zylinder 12 eintritt, damit dadurch die Wirbelströmung mageren Gemische in Richtung eines Pfeiles 30 (siehe Fig. 2) um eine Zylinderachse 22 während des Verdichtungshubes des Kolbens 10 beibehalten wird. Fig. 1 zeigt die Teile des Motors in den Lagen, die sie einnehmen, wenn sich der Kolben 10 an seinem oberen Totpunkt .befindet.

Im Zylinderkopf 14 sind ferner eine Vorkammer 24, ein die Vorkammer 24 und den Hauptbrennraum 18 verbindender Kanal 26 und ein ventilgesteuerter Nebeneinlaßkanal 28 angeordnet, der zur Vorkammer führt und dieser kraftstoffreiches Gemisch einspeisen kann.

Der Motor ist als gemischansaugender Motor konstruiert. Dabei wird kraftstoffarmes Gemisch,das durch einenFunken nicht gezündet werden kann, und fettes Gemisch, das durch einen Funken gezündet werden kann, während des Saughubes des Kolbens 10 durch den Haupteinlaßkanal 16 in den Hauptbrennraum 18 bzw. durch den Nebeneinlaßkanal 28 in die Vorkammer 24 eingesaugt. In der Vorkammer 24 ist eine Zündkerze 32 befestigt bzw. angeordnet, die das darin eingespeiste kraftstoffreiche Gemisch zünden kann.

Die beschriebene Konstruktion des Motors ist herkömmlich

und allgemein bekannt, so daß sich eine ausführliche

Beschreibung der Arbeitsweise des Motors zur Vereinfachung der Beschreibung erübrigt.

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Wie am deutlichsten Fig. 2 zeigt, sind eine Einlaßöffnung 34 des Haupteinlaßkanals 16, eine Auslaßöffnung 36 des Auslaßkanals 20 und ein Mündung 38 des Kanals 26 vorzugsweise so angeordnet, daß eine Zylinderachse 22 - bei Betrachtung in Fig. 2 - in ein Dreieck fällt, das von Geraden 40, 42 umd 44 gebildet wird, die die Mittelpunkte der Einlaßöffnung, der Auslaßöffnung und der Mündung verbinden. Bei dem in beschriebener Weise konstruierten Motor ist das Volumen der Vorkammer 24 6 bis 15% des gesamten Verdichtungsraumes, ist der Kanal 26 eine zylindrische Bohrung und liegt das Verhältnis der Fläche des Querschnitts·durch den Kanal unter einem rechten Winkel zu diesem zum Volumen der

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Vorkammer zwischen 0,07 cm /cm und 0,3 cm /cm und liegt das Verhältnis der Länge (L) zum Durchmesser (D) des Kanals 26, d.h. L/D (siehe Fig. 5), zwischen 0,5 und 3,0. Der Kanal 26 liegt in einer axialen Ebene, die relativ zu einer axialen Ebene 46 zwischen der Zylinderachse und dem Mittelpunkt der Mündung 38 in Richtung der Wirbelströmung des mageren Gemischs um nicht mehr als 60 und entgegen der Richtung der Wirbelströmung um nicht mehr als 15 verdreht ist.

Patentanspruch:

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Claims

Patentanspruch

Fackelgezündeter Hubkolbenverbrennungsmotor, gekennzeichnet durch einen Zylinderkopf (14), einen vom Zylinderkopf abgeschlossenen Zylinder (12), einen hin- und herbewegbar ;im Zylinder angeordneten Kolben (10), einen zwischen dem Kolben und dem Zylinderkopf ausgebildeten Hauptbrennraum (18), eine Vorkammer (24), einen die Vorkammer und den Hauptbrennraum verbindenden Kanal (26), einen ventilgesteuerten Haupteinlaßkanal (16), der zum Hauptbrennraum führt und diesem kraftstoff armes Gemisch einspeisen kann und so ausgebildet ist, daß dem einströmendem kraftstoffarmen Gemisch eine Rotation erteilt wird, während es in den Hau±brennraum eintritt, einen ventilgesteuerten Auslaßkanal (20), der an den Hauptbrennraum angeschlossen ist, einen ventilgesteuerten Nebeneinlaßkanal,(28), der zur Vorkammer führt und dieser kraftstoffreiches Gemisch einspeisen kann, und eine in der Vorkammer angeordnete Zündkerze (32), wobei das Verhältnis des Volumens der Vorkammer zum gesamten Verdichtungsvolumen 6 bis 15% beträgt, das Verhältnis der Fläche eines unter rechtem Winkel durch den Kanal (26) gelegten Querschnitts desselben

2 3 zum Volumen der Vorkammer zwischen 0,07 cm /cm und

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0,3 cm /cm liegt, das Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Kanals zwischen 0,5 und 3,0 liegt und wobei der Kanal in einer axialen Ebene liegt, die relativ zu einer axialen Ebene durch die Zylinderachse und die Mündung (38) des Kanals in Richtung der wirbelnden Strömung mageren Gemischs im Haip tbrennraum um nicht mehr als 60° und

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in zur wirbelnden Strömung entgegengesetzter Richtung um nicht mehr als 15° verdreht ist.

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