DE2460204A1

DE2460204A1 - Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE2460204A1
Application number: DE19742460204
Authority: DE
Inventors: Saburo Tsutsumi
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1973-12-22
Filing date: 1974-12-19
Publication date: 1975-07-03
Also published as: FR2272264A1; GB1495739A; FR2272264B1; US4127089A

Description

PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER

DIPL.-ING.

H. KINKELDEY

DR₁-INS.

^W-^STOCKMA1R

DR.-INQ. · AOE(CALTECH)

K. SCHUMANN

DR. RER. NAT. ■ DIPl PHYS.

P. H. JAKOB

DIPL.-ΙΝβ.

G. BEZOLD

DR. RER. NAT. · DIPL.-CHEM.

MÜNCHEN E. K. WEIL

DR. RER. OEC. INQ.

LINDAU

MÜNCHEN 22

MAXIMILIANSTRASSE 43

19. Dezember 1974-P 8855

Nissan Motor· Co., Ltd.

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

Ve rbrennung smo to r

Die Erfindung betrifft allgemein einen; Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug und insbesondere einen funkengezündeten Verbrennungsmotor mit hängenden Ventilen für ein Kraftfahrzeug. Dabei ist die Erfindung auf einen funkengezündeten Verbrennungsmotor mit hängenden Ventilen für ein Kraftfahrzeug gerichtet, der in jedem der Zylinder des Motors einen Hauptbrennraum und einen Nebenbrennraum hat.

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TELEFON (089) 22 28 Θ2 TELEX OS-29 38Ο TELEGRAMME MONAPAT

Funkengezündete Verbrennungsmotoren mit hängenden Ventilen, die Hauptbrennräume und Nebenbrennräume haben, sind unter dem Gesichtspunkt entwickelt worden, giftige Zusammensetzungen, beispielsweise Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid, die in den Abgasemissionen der Motoren enthalten sind, möglichst gering zu halten. Diese Motoren zeichnen sich durch die Verwendung eines abgemagerten Luft-Kraftstoff -Gemische aus, das zur Verminderung der giftigen, unverbrannten Rückstände in den Abgasen beiträgt. Der Hauptbrennraum und der Nebenbrennraum werden jeweils von Gemischansaugeinheiten oder Vergasern gespeist, die praktisch unabhängig voneinander sind, so daß während des Ansaughubes des Motors der Hauptbrennraum mit einem verhältnismäßig mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch gespeist wird, während der Nebenbrennraum mit einem verhältnismäßig fetten Luft-Kraftstoff -Gemisch versorgt wird. Eine Zündkerze ragt in. den Nebenbrennraum und zündet das verhältnismäßig fette Luft-Kraftstoff-Gemisch in diesem, damit während einer Anfangsphase eines jeden Verbrennungs- bzw. Arbeitshubes des Motors im Nebenbrennraum eine Flamme erzeugt wird. Der Nebenbrennraum steht über einen Flammenkanal mit dem Hauptbrennraum in Verbindung, so daß die im Nebenbrennraum erzeugte Flamme in den Hauetbrennraum stößt und das verhältnismäßig magere Luft-Kraftstoff-Gemisch im Hauptbrennraum zündet. Somit wird die flamme bzw. Verbrennung im Nebenbrennraum begonnen; die Verbrennung breitet sich dann vom in den Hauet brennraum mündenden Auslaß des Flammenkanals in den Hauptbrennraum aus.

Bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren der beschriebenen Art mündet der Flammenkanal, der für die Verbindung zwischen dem Hauptbrennraum und dem Nebenbrennraum sorgt, in der Regel in den Hauptbrennraum ungefähr in der Mitte des Verdichtungsraumes, der oben von der Unterseite des Zylinder-

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kopfes und den Stirnflächen des Einlaßventils und des Auslaßventils und unten von der Krone des Kolbens im oberen Totpunkt begrenzt wird. Diese spezielle Anordnung fördert eine Erhöhung der Leistungsabgabe des Moinrs, da die Verbrennung im Haupt brennraum von einem größten Verdichtungsraumabschnitt des Hauptbrennraumes ausgeht, so daß das Luft-Kraftstoff-Gemisch im Haupt brennraum, das zum Verbrennungshub des Motorzylinders beiträgt, zu einem verhältnismäßig großen Anteil während einer Anfangsphase des Verbrennungshubes gezündet und verbrannt wird. Ein Problem zeigt sich jedoch darin, daß dann, wenn das brennbare Gemisch im Haupt brennraum somit während einer frühen Phase des Verbrennungshubes verbrannt wird, die Temperatur der Abgase zu niedrigeren Werten tendiert, so daß die in den Abgasen enthaltenen, unverbrannten, brennbaren Rückstände nicht vollständig oxidiert bzw. "nachverbrannt" sind, wenn die Abgase vom Abgas syst em des Moinrs ausgestoßen werden. Dies steht offensichtlich der ursprünglichen Zielsetzung der Verbrennungsmotoren der beschriebenen Art entgegen.

Diese Schwierigkeit ist besonders ausgeprägt, wenn der Hauptbrennraum in Wirbelkeilkonstruktion ausgeführt ist, bei der eine schmale, keilförmige Quetschfläche zwischen der Krone des Kolbens und einer geneigten Unterseite des Dachabschnitts des Zylinderkopfes ausgebildet ist, der das Einlaßventil und das Auslaßventil trägt. Die sich vom mittleren Abschnitt'des Verdichtungsraumes des Hauptbrennraumes ausbreitende Flammenfront benötigt längere Zeit, die Quetschfläche zu erreichen, so daß demzufolge die Gefahr besteht, daß das Restgas, das in diesem speziellen Bereich des Hauptbrennraumes angeordnet ist, während des Verbrennungshubes nicht vollständig verbrannt wird. Dies ist ursächlich für eine beträchtliche Menge unverbrannter,.

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giftiger Rückstände in den vom Motor abgegebenen Abgasen.

Die Erfindung zielt darauf ab, all diese Schwierigkeiten zu beseitigen, die bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren der Bauart mit Haupt- und Nebenbrennräumen auftreten. Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten, funkengezündeten Verbrennungsmotor mit hängenden Ventilen und Haupt- und Nebenbrennräumen zu schaffen, wobei diese so angeordnet sind, daß eine vollständige Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs im gesamten Bereich des Hauptbrennraumes möglich ist, so daß die ursprüngliche Zielsetzung des Motors, den Anteil unverbrannter Rückstände in den Abgasen kleinstmöglich zu machen, in vorteilhafter Weise erreicht werden kann. Ein weiteres wichtiges Ziel der Erfindung ist die Verminderung des Anteils des Luft-Kraft stoff-Gemischs, der während einer Anfangsphase des Verbrennungshubes im Verbrennungsmotor der beschriebenen, allgemeinen Art verbrannt wird. Durch eine begrenzte Menge von Luft-Kraftstoff-Gemisch, die während einer Anfangsphase des Verbrennungshubes die Verbrennung trägt, wird eine deutliche Verminderung der Verbrennungsspitzentemperatur und des Spitzendruckwertes im Hauptbrennraum erreicht, so daß nicht nur die Anteile unverbrannter Kohlenwasserstoffe und von Kohlenmonoxid in den Abgasen erfolgreich vermindert werden können, sondern auch die Erzeugung von Stickoxiden, bei denen es sich um eine andere Hauptquelle für die Luftverschmutzung durch Kraftfahrzeuge handelt, in vorteilhafter Weise verhindert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem funkengezündeten Verbrennungsmotor mit hängenden Ventilen für ein Kraftfahrzeug grundsätzlich gelöst durch einen Zylinderblock, in dem eine Zylinderbohrung ausgebildet ist, einen

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in der Zylinderbohrung in Axialrichtung bewegbaren Hubkolben» einen auf dem Zylinderblock angeordneten Zylinderkopf, der oberhalb der Zylinderbohrung einen Hauptbrennraum bildet, wobei sich, im Hauptbrennraum ein kleinerer Verdichtungsraumabschnitt befindet, der oben von einer unteren Stirnfläche eines Dachabschnitts des Zylinderkopfes und unten von der Oberseite bzw. Krone des Hubkolbens begrenzt wird, wenn sich dieser in seiner oberen Totpunktlage befindet, und wobei im Zylinderkopf ein Nebenbrennraum, der oberhalb des Dachabschnitts des Zylinderkopfes angeordnet ist, ein Haupteinlaßkanal, der über ein Haupteinlaßveifcil zum Hauptbrennraum führt, ein Nebeneinlaßkanal, der über ein Nebenventil zum Nebenbrennraum führt, und ein Auslaßkanal ausgebildet sind, der über ein Auslaßventil weg vom Hauptbrennraum führt, eine in den Nebenbrennraum ragende Zündkerze und Mittel, die einen Flammenkanal bilden, der für eine ständige Verbindung zwischen dem Hauptbrennraum und dem Nebenbrennraum sorgt, wobei der Flammenkanal ein Auslaßende hat, das in den kleineren Verdichtungsraumabschnitt des Hauptbrennraumes mündet. Das Auslaßende des erwähnten Flammenkanals ist vorzugsweise in bestimmter geometrischer Beziehung zum erwähnten Dachabschnitt des Zylinderkopfes und/oder zum Mittelpunkt des Querschnitts des Hauptbrennraumes angeordnet und in einem bestimmten Finkelbereich ausgerichtet, der auf dex* Grundlage der Richtung einer Wirbelrotation des Luft-Kraftstoff-Gemische bestimmt ist, das aus dem Auslaßende des Haupteinlaßkanals (I'laminendurchga'ngs) in den Hauptbrennraum einströmt bzw. einschießt.

Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors werden aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen deutlicher werden. Gis zeigen:

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Fig. 1a einen ausschnittsweisen Längsschnitt, der

schematisch eine erste, bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgeinäßen Verbrennungsmotors zeigt;

Fig. 1b eine Ansicht des oberen Endes des Hauptbrenn-

raumes der in Fig. 1a dargestellten Ausführungsform;

Fig. 2 ein Druck-Zeit-Diagramm, das Durck-Zeit-Kurven für einen vollständigen Arbeitszyklus eines herkömmlichen Verbrennungsmotors der beschriebenen Art (gestrichelt dargestellt) und des erfindungsgemäßen Motors(durchgezogen dargestellt) zeigt;

Fig. 3a einen ausschnittsweisen Längsschnitt, der

schematisch eine zweite, bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors zeigt;

Fig. 3b eine Ansicht, die das obere Ende des Hauptbrennraumes der in Fig. 3a dargestellten Ausführungsform zeigt;

Fig. 4a einen ausschnütsweisen Längsschnitt, der

schematisch eine dritte, bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors zeigt;

Fig. 4b eine Ansicht des oberen Endes des Hauptbrennraumes der in Fig. 4a dargestellten Ausführungsform;

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Fig. 5^a einen ausschnittsweisen Längsschnitt, der schematisch eine vierte, bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors zeigt ;

Fig. 5b eine Ansicht des oberen Endes des Hauptbrennraumes der in Fig. 5^a gezeigten Ausführungsform j

Fig. 6a einen ausschnittsweisen Längsschnitt, der schematisch eine fünfte, bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors zeigt;

Fig. 6b eine Ansicht des oberen Endes des Hauptbrennraumes der in Fig. 6a gezeigten Ausführungsform;

Fig. 7^a einen ausschnittsweisen Längsschnitt, der eine sechste, bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors zeigt; und

Fig. Jh eine Ansicht des oberen Endes der Hauptbrennraumes der in Fig. 7a gezeigten Ausführungs-

forra.

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Im folgenden wird zunächst auf die Figuren 1a und 1b eingegangen. Ein funkengezündeter, erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor mit hängenden Veifcilen umfaßt einen Zylinder 10, der aus einem Zylinderblock 12, in dem eine Zylinderbohrung 14 ausgebildet ist, und einem Zylinderkopf i6 bestdt, der am oberen Ende des Zylinderblocks 12 angeschraubt oder auf andere ¥eise befestigt ist, wie dies üblich ist. Ein Hubkolben 18 ist in Axialrichtung in der Zylinderbohrung 14 zwischen seiner oberen und seiner unteren Totpunktlage bewegbar und bildet einen Hauptbrennraum 20 zwischen der Oberseite bzw. Krone 22 des Kolbens 18 und den unteren Stirnflächen von Dachabschnitten i6a und i6b des Zylinderkopfes 16. Bei dem Verbrennungsmotor, auf den die Erfindung angewendet wird, handelt es sich insbesondere um eine Konstruktion mit hängenden Ventilen, wie dies bereits zuvor erwähnt wurde. Dieser Verbrennungsmotor hat somit in Reihe angeordnete Einlaß- bzw. Auslaßventile 2k bzw. 26, deren jeweilige VentilStirnflächen an der Oberseite des Hauptbrennraumes 20 angeordnet sind. Der Havjtbrennraum 20 wird somit an seiner Oberseite von den unteren Stirnflächen der Dachabschnitte i6a und i6b des Zylinderkopfes 16 sowie den Ventilstirnflächen des Einlaßventils 2k und des Auslaßventils 26 und an seiner Unterseite von der Oberseite bzw. Krone 22 des Hubkolbens 18 begrenzt. Hinter den VentilStirnflächen des Einlaßventils 2k und des Auslaßventils 26 sind Einlaß- bzw. Auslaßkanäle 28 bzw. 30 des Zylinders 10 angeordnet. Der Einlaßkanal 28 steht in Verbindung mit einer nicht dargestellten Saugsammelleitung des Motors, während der Auslaßkanal 30 über eine nicht dargestellte AbgasSammelleitung des Motors zur umgebenden Atmosphäre führt, wie dies üblicherweise der Fall ist. Bei der dargestellten Ausführungsform sind der Einlaßkanal 28 und der Auslaßkanal 30 im Zylinderkopf 16 ausgebildet.

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Hier wird angenommen, daß der Hauptbrennraum 20 des dargestellten Verbrennungsmotors als sog. Wirbelkeilraum ausgebildet ist, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Der Hauptbrennraum hat somit einen größeren Verdichtungsraumabschnitt 20a, der sich in der Mitte des Hauptbrennraumes 20 befindet, und einen kleineren Verdichtungsraumabschnitt 20b, der von einer deutlich schräg verlaufenden unteren Stirnfläche des Dachabschnitts i6a des Zylinderkopfes 16 und einem zugehörigen Abschnitt der oberen Stirnfläche bzw. Krone des Kolbens 18 begrenzt wird. Der Ausdruck "Verdichbungsraum" soll hier ein Volumen bzw. einen Raum bezeichnen, das bzw. der an seiner Oberseite von den unteren Stirnflächen der Dachabschnitte i6a und i6b des Zylinderkopfes 16 und den VentilStirnflächen des Einlaßventils 2k und des Auslaßventils 26 sowie an seiner Unterseite von der Oberseite 22 des Kolbens 18 begrenzt wird, wenn dieser in seine obere Totpunktlage bewegt worden ist. Somit umfaßt der kleinere Verdichbungsraumabschnitt 20b eine Quetschfläche des Wirbelkeil-Brennraumes 20. Mit dem Dachabschnitt i6a des Zylinderkopfes 16 ist hier ein Teil des Abschnitts des Zylinderkopfes 16 gemeint, der die Schäfte des Einlaßventils 2k und des Auslaßventils 26 mit Hilfe von Vatbilführungen trägt, von denen lediglich die Ventilführung für das Einlaßventil 2k dargestellt und mit 32 in Fig. 1a bezeichnet ist. Der spezielle Dachabschnitt i6a des Zylinderkopfes 16 ist durch eine schraffierte Fläche in Fig. 1b angedeutet.

Im Zylinderkopf 16 bzw. - genauer - im Dachabschnitt 16a des Zylinderkopfes 16 ist ein Nebenbrennraum 3k ausgebildet, der sich oberhalb und in der Nähe des zuvor erwähnten kleineren Verdichtungsraumabschnitts 20b des Hauptbrennraumes 20 befindet, wie dies in Fig. 1a dargestellt ist. Der Nebenbrennraum Jk steht in dauernder Verbindung mit dem

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Hauptbrennraum 20 über einen Flammenkanal 36 > der im Dachabschnitt 16a des Zylinderkopfes 16 ausgebildet ist und ein Auslaßende aufweist, das in den kleineren Verdichtungsraumabschnitt 20b des Hauptbrennraumes 20 mündet. Am stromauf gelegenen Ende des Nebenbrennraumes 3^ befindet sich ein Einlaßventil 38, das zu Zeitpunkten betätigt wird, die zu den Zeitpunkten in Beziehung stehen, zu denen das Einlaßventil 2k und das Auslaßventil 26 während des Betriebes des Motors betätigt werden. Das Einlaßventil 38 für den Nebenbrennraum Jk wird ebenfalls von dem Abschnitt des Zylinderkopfes 16 getragen, der einstückig mit dem Dachabschnitt 16a ausgebildet ist, und ist axial verschiebbar in eine in Fig. la gezeigte Ventilführung eingesetzt. Hinter dem Einlaßventil 38 für den Nebenbrennraum 3k befindet sich ein Nebeneinlaßkanal 40, der ebenfalls im Zylinderkopf 16 ausgebildet ist. Der Nebeneinlaßkanal kO geht von einer nicht dargestellten Gemischansaugeinheit aus, die getrennt von einer nicht dargestellten Gemischansaugeinheit ist, die mit der Saugsammelleitung verbunden ist, die zum Haupteinlaßkanal 28 führt. Wie bereits erwähnt wurde, ist die Gemischansaugeinheit für den Haupbbrennraum so eingestellt, daß sie zum Hauptbrennraum 20 ein verhältnismäßig mageres Luft-Kraftstoff-Gemisch liefert; die zum Nebenbrennraum 3^- gehörende Ansaugeinheit ist dagegen so eingestellt, daß sie ein verhältnismäßig fettes Luft-Kraftstoff-Gemisch zum Nebenbrennraum 3^ liefert. In der Regel hat das in den Hauptbrennraum 20 eingespeiste Luft-Kraftstoff-Gemisch ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Bereich von ungefähr 15 ί 1 bis ungefähr 30 : 1, wogegen das Luft-Kraft stoff -Gemisch, das in den Nebenbrennraum 3k eingespeist wird, ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Bereich von ungefähr 1 : 1 bis ungefähr 10 : 1 hat. Das verhältnismäßig fette Luft-Kraftstoff-Gemisch, das somit in den Nebenbrennraum 3^ eingespeist wird, wird von einer Zündkerze 42 ge-

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zündet, die in den Nebenbrennraum 34 hineinragt, vie dies in Fig. 1a dargestellt ist. Die auf diese Weise im Nebenbrennraum aufgrund der Verbrennung des verhältnismäßig fetten Luft-Kraftstoff-Gemischs erzeugte Flamme schlägt durch den Flammenkanal 36 in den Hauptbrennraum 20 und zündet das verhältnismäßig magere Luft-Kraftstoff-Gemisch im Hauptbrennraum 20. Auf diese Weise wird die Flammenbildung bzw. Verbrennung im Nebenbrennraum 3h eingeleitet. Sie breitet sich im Hauptbrennraum 20 vom Auslaßende des Flammenkanals 36 so aus, daß die Flammenfront im Hauptbrennraum 20 vom kleineren Verdichtungsraumabschnitt 20b bzw. - mit anderen Worten - von der Quetschfläche des Hauptbrennraumes 20 zum größeren Verdichtungsraumabschnitt 2Oa des Hauptbrennraumes 20 wandert. Somit wird während einer Anfangsphase des Verbrennungs- bzw. Arbeitshubes das Luft-Kraftstoff-Gemisch im Hauptbrennraum 20 nur zu einem begrenzten Anteil gezündet und verbrannt, da die Flammenfront sich anfänglich vom kleineren Verdichtungsraumabschnitt 2öb des Hauptbrennraumes 20 ausgehend ausbreitet . Der verlängerte Flammenweg und der verringerte Anteil des Luft-Kraftstoff-Gemischs, der während der Anfangsphase des Verbrennungshubes zur Verbrennung beiträgt, führen zu einer Verminderung der höchsten Verbrennungstemperatur und des höchsten Drucks im Hauptbrennraum 20 und somit zu einer Verminderung der giftigen Stickoxide. Da ferner die Verbrennung im Hauptbrennraum 20 aufgrund des verlängerten Flammenweges während eines längeren Zeitraumes andauert, haben die während des Ausstoßhubes des Motors vom Motor abgegebenen Abgase eine Temperatur, die ausreichend hoch ist, um zu ermöglichen, daß unverbrannte, brennbare Rückstände vollständig oxidiert werden, die zunächst in den Abgasen enthalten waren, so daß die Mengen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid, die im schließlich an die umgebende Atmosphäre abgegebenen Abgas

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enthalten sind, auf ein Minimum vermindert werden können. Bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren der oben beschriebenen Art mündet der Flammenkanal 36, der Tür die Verbindung zwischen dem Haupt brennraum 20 und dem Nebenbrennraum 3^ sorgt, in den größeren Verdichtungsraumabschnitt 20a des Hauptbrennräumes 20, so daß als Folge daraus die Gefahr besteht, daß das im kleineren Verdichtungsraumabschnitt 20b bzw. - mit anderen Worten - bei der Quetschfläche des Hauptbrennia umes 20 verbleibende Restgas während des Verbrennungshubes unverbrannt oder lediglich teilweise verbrannt bleibt, so daß es als weitere, wichtige Ursache dazu beiträgt, daß giftige Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid abgegeben werden. Bei der in den Figuren 1a und 1b dargestellten Ausführungsform mündet dagegen das Auslaßende des Flammenkanals 36 in den kleineren Verdichtungsraumabschnitt 20b des Hauptbrennraumes 20, so daß sich aus diesem Grund die Verbrennung bzw. die Flammenfront vom kleineren Verdichtungsraumabschnitt 20b bzw. der Quetschfläche des Hauptbrennraumes 20 ausbreitet, so daß das Luft-Kraftstoff-Gemisch, das den kleineren Verdichtungsraumabschnitt 20a einnimmt, während einer Anfangsphase des Verbrennungshubes gezündet wird und mit Hilfe der heißen Verbrennungsgase vollständig verbrannt wird, die im größeren Verdichtungsraumabschnitt 20a des Hauptbrennraumes 20 erzeugt werden.

Fig. 2 gibt Kurven wieder, die die Änderung des Drucks in einem keilförmigen Hauptbrennraum eines herkömmlichen Verbrennungsmotors der beschriebenen Art (wiedergegeben durch die gestrichelte Kurve a) und die Änderung des Drucks im Hauptbrennraum der in den Figuren 1a und 1b dargestellten Ausflhrungsform zeigen (wiedergegeben durch die ausgezogene Kurve b). Die Abszisse gibt in Grad Kurbelwinkel den Zeitraum wieder, während dessen der Kolben aus

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einer Stellung vor dem oberen Totpunkt (vor OT) durch den oberen Totpunkt (ΟΤ) in eine Stellung nach, dem oberen Totpunkt (nach OT) bewegt wird; der obere Tobpunkt liegt im Ursprung der Koordinaten. Die auf der Ordinate wiedergegebenen Drücke wurden bei vorbestimmten Betriebszuständen der Motoren gemessen, wobei die Füllungsgrade auf* ungefähr 50$ und die Drehzahlen auf ungefähr 1500 Upm eingestellt waren. (Unter Füllungsgrad wird hier das Verhältnis des Volumens der Luft im Luft-Kraftstoff-Gemisch bei normalem atmosphärischem Druck zum Hubvolumen des Motors verstanden.) Wie Kurve b des in Fig. 2 wiedergegebenen Diagramms zeigt, folgt der Druck im Hauptbrennraum des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors einem Verlauf, der an die Druck-Zeit-Kurve der Verbrennung mit konstantem Druck erinnert. Daher kann nicht nur der Spitzendruck im Zylinder des Motors beträchtlich vermindert werden, sondern es wird arich erreicht, daß die Abgase eine Temperatur haben, die höher als die Temperatur der Abgase ist, die herkömmliche Verbrennungsmotoren der beschriebenen Art ausstoßen.

Die Figuren 3a und 3b zeigen eine Abwandlung der in den Figuren la und 1b gezeigten Ausführungsform; daher sind diejenigen Teile und Elemente, die Teilen und Elementen der Ausführungsform gemäß den Figuren 1a und 1b entsprechen, mit gleichen Bezugszeichr>n versehen. Während bei der Ausführungsform gemäß den Figuren la und 1b der Nebenbrennraum 34 seitlich vom Einlaßkanal 28 und Auslaßkanal 30 angeordnet ist, sind der im Zylinderkopf 16 der in den Figuren 3^a und 3b dargestellten Ausführungsform ausgebildete Auslaßkanal und Einlaßkanal 30 so angeordnet, daß sie über den Nebenbrennraum Jk hinauslaufen, während gleichzeitig der zum Nebenbrennraum ^h führende Nebeneinlaßkanal hO so angeordnet ist, daß er dicht beim Auslaßkanal 30, der vom flauptbrenn-

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raum 20 ausgeht, und entlang diesem verläuft. Bei solcher Anordnung der Kanäle wird die Wärme der Abgase, die durch den Auslaßkanal 30 geführt werden, teilweise zum Nebeneinlaßkanal 40 für den Nebenbrennraum 34 übertragen, so daß das dem Nebenbrennraum 34 zugeführte Luft-Kraftstoff-Gemisch vorgewärmt wird, während es durch den Nebeneinlaßkanal 40 strömt. Dadurch wird eine Stabilisierung der Zündeigenschaften des Luft-Kraftstoff-Gemischs nicht nur im Nebenbrennraum 34, sondern auch im Hauptbrennraum 20 sichergestellt, und zwar insbesondere beim Kaltstart des Motors oder wenn der Motor bei kaltem Wetter betrieben wird. Da ferner im Gegensatz zur Anordnung der Kanäle bei der in den Figuren 1a und Ib dargestellten Ausführungsform der Nebeneinlaßkanal 40 für den Nebenbrennraum 34 nicht über den Einlaßkanal 28 und den Auslaßkanal 30 für den Hauptbrennraum 20 hinauszulaufen oder hinwegzulaufen braucht, kann die Gesamtlänge des Nebeneinlaßkanals 40 beträchtlich vermindert sein, wodurch der Totraum des Nebeneinlaßkanals 40 vermindert bzw. beseitigt wird. Dies führt zu verbesserten Einschwing- bzw. Übergangseigenschaften beim periodischen Betrieb der zusätzlichen Gemischansaugeinheit und Verbrennungseinheit und demzufolge zu einer Stabilisierung der Leistungscharakteristik des gesamten Motors.

Die Figuren 4a und 4b zeigen eine dritte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors. Der darin dargestellte Verbrennungsmotor ist aus Teilen und Elementen aufgebaut, die im wesentlichen denen entsprechen, die den in den Figuren 1a und 1b oder 3^a und 3t> dargestellten Verbrennungsmotor bilden, so daß diejenigen Teile und Elemente, die Teilen und Elementen der ersten und zweiten Ausführungsform entsprechen, ebenfalls mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Während jedoch bei der in den Figuren 1a und 1b oder 3a· und 3b dargestellten Aus-

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führungsform der Flammenkanal 36 im Dachabschnitt i6a des Zylinderkopfes 16 ausgebildet ist, ist der Flammenkanal 36 bei der in den Figuren 4a und 4b dargestellten Ausführungsfonn im bereits erwähnten Dachabschnitt i6b des Zylinderkopfes 16 ausgebildet. Der Dachabschnitt i6b des Zylinderkopfes 16 hat eine untere Endfläche, die von ihrem äußeren Rand aus nach oben geneigt ist und somit einen kleineren Verdicxhtungsraumabschnitt 20b bildet, der an seiner Oberseite von der geneigten, unteren Stirnfläche des Dachabschnitts i6b und an seiner Unterseite von der Oberseite 22 des Kolbens 18 im oberen Totpunkt begrenzt wird. Der Flammenkanal 36, der für die Verbindung zwischen dem Haupt brennraum 20 und dem Nebenbrennraum 34 sorgt, mündet mit einem Auslaß in den erwähnten kleineren Verdichtungsraumabschnitt 20b des Hauptbrennraumes 20. Ferner ist aus den Figuren 4a und 4b erkennbar, daß das Einlaßventil 24 und das Auslaßventil 26 für den Hauptbrennraum 20 von dem Abschnitt des Zylinderkopfes 16 getragen werden, der einstückig mit dem Dachabschnitt i6b ist und in dem gleichzeitig der Nebenbrennraum 3k ausgebildet ist. Der spezielle Dachabschnitt lob des Zylinderkopfes 16 ist durch einen schraffierten Bereich in Fig. 4b angedeutet. In den Figuren 4a und 4b ist eine Trennlinie bzw. Kante 16c zwischen dem Dachabschnitt 16a und dem Dachabschnitt 16b des Zylinderkopfes 16 dargestellt.

Die in den Figuren 4a und 4b dargestellte dritte Ausführungsform unterscheidet sich von den Ausführungsformen gemäß den Figuren la und 1b bzw. 3a und 3h darin, daß dafür gesorgt wird, daß den Verbrennungsgasen eine wirbelnde Rotation um eine senkrechte Achse des Hauptbrennraumes aufgeprägt wird, damit die Turbulenz der Verbrennungsgase im Hauptbrennraum verstärkt wird. In Fig. 4b ist in der Ebene des Querschnitts durch den Hauptbrennraum 20 eine

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Mittellinie ΛΒ dargestellt, die durch die senkrechte Achse C des Hauptbrennraumes 20 geht und senkrecht zur bereits erwähnten Trennlinie bzw. Kante i6c zwischen den Dachabschnitten i6a und i6b des Zylinderkopfes 16 verläuft. Ferner sind auf beiden Seiten der Mittellinie AB parallele Linien L und L in der Weise eingezeichnet, daß jede der Linien L₁ und L einen vorgegebenen Abstand d von der Mittellinie hat und die Trennlinie i6c zwischen den Dachabschnitten i6a und 16b des Zylinderkopfes 16 schneidet. Wenn die Linien L und L in dieser Weise verlaufen, werden zwei identische Bereiche, die ungefähr Sektorform haben, im Querschnitt des Hauptbrennraumes 20 und unterhalb des Dachabschnitts i6b des Zylinderkopfes 16 definiert, wie dies durch dicht schraffierte Flächen in Fig. 4b angedeutet ist. Jeder dieser Bereiche mit annähernd Sektorform wird von der Linie L₁ oder L , dem von den Linien L₁ bzw. L abgeteilten Abschnitt der Trennlinie 16c und einem Bogen umschlossen, der von einem Abschnitt des kreisförmigen Umfangs des Hauptbrennraumes 20 gebildet wird (, wobei dieser Umfang offensichtlich dem Umfang der Zylinderbohrung 14 entspricht)» Die dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors zeichnet sich dadurch aus, daß der Flammenkanal 36, der für die Verbindung zwischen dem Hauptbrennraum 20 und dem Nebenbrennraum 34 sorgt, mit seinem Auslaß über einem der Bereiche mit annähernd Sektorform liegt, wie dies in Fig. 4b dargestellt ist. Vom Erfinder durchgeführte Versuche haben gezeigt, daß der Abstand d zwischen der Mittellinie AB und jeder der parallelen Linie L₁ und L so gewählt sein sollte, daß die Beziehung d/D = 0,15 erfüllt ist, wobei D der Durchmesser des Hauptbrennraumes 20 ist. Dabei ist hier offensichtlich, daß der Wert von d kleiner als D/2 ist. Bei der in den Figuren 4a und 4b dargestellten Ausführungsform ist ferner der Flammenkanal 36 so angeordnet, daß er

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bei Betrachtung in einer zum Querschnitt des Hauptbrennraumes 20 parallelen Ebene Ln einer Richtung vex'Läuft, die in einen Winke!bereich fällt, dessen eines Ende sich im wesentlichen, mit- dor Richtung (in Fig. 'l-b dargestellt durch F) dar wirbelnden Strömung des Luft-Kraftsto Vt'-Geinischs, das aus dem Einlaßkanal 28 in. den Hauptbrennraum 20 strömt, deckt und durch einen Pfeil S. Ln Fig. ^a dargestelLt ist und dessen anderes Ende zur Mitte des Querschnitts bzw. der senkrechten Achse C des Hauptbrennrainne£3 20 gerichtet ist, wie dies durch einen Pfeil S₂ dargestellt ist. Wenn die Richtung des Flammenkanals 36 in diesem Winke!bereich liegt, verstärkt die Flamme, die aus dem Flammarikanal 'j6 in den Hauptbrennraum 20 stößt, die I'urbulenz der-im Haupt brennraum 20 erzeugten, verbrannten Gase und trägt somit zur vollständigen Verbrennung des Gemische und demzufolge zur Beseitigung von giftigen, tmverbrannben. Rückständen in den vom Motor abgegebenen Abgasen bei.

Obwohl bei der ersten, zwei ton und dritten Ausführung si* orm der Erfindung bisher beschrieben wurde, daß diese auf Verbrennungsmotoren angewendet werden, deren Hauptbrennräume in WirbelkeiIkonstruktion ausgeführt sind, kann die Vei'bossLing." aufgrund der Erfindung nicht nur bei Motoren dieser Bauart sondern auch bei Verbrennungsmotoren mit zahlreichen anderen Konstruktionen angewendet werden, zu denen beispielsweise die sog. Wannenbrennräume (Fig. 5a und 5b), die sog. kolbenseitigen Brennräume (Fig. 6a und 6b), die sog. Pultdachbrennräume (Fig. 7a und 7b) und die nicht turbulenten oder verbesserten (d.h. turbulenten), in den Zeichnungen nicht dargestellten, halbkugelförmigen Brennräume gehören, die ähnlich wie die Pultdachbrennräume konstruiert sind.

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Im folgenden wird auf die Fig. 5a und 5b eingegangen. Der darin dargestellte Verbrennungsmotor mit .Warmenbrennraum umfaßt einen Zylinderkopf 44, der das obere Ende eines Haup tbrennraunies K6 vom Wannen typ begrenzt. Der Zylinderkopf Kh umfaßt einen Dachabschnitt KKa mit einer ebenen, unteren Stirnfläche, die sich dicht beim oberen Ende der Zylinderbohrung \K befindet. Auf diese Weise wird ein flacher Raum 46a zwischen der ebenen, unteren Stirnfläche des Dachabschnitts KKa. des Zylinderkopfes KK und der Oberseite 22 des Hubkolbens 18 gebildet, wenn sich der Hubkolben 18 in seiner oberen Totpunktlage befindet. Der auf diese Weise gebildete Raum 46a stellt einen kleineren Verdichtungsraum abschnitt des Haupfcbrennräumes 46 dar. Im Zylinderkopf 44 ist ferner eine wanneriförmige Ausnehmung oberhalb des oberen Endes der Zylinderbohrung 14 ausgebildet. Die wannenformige Ausnehmung steht über das Einlaßventil 28 und das Auslaßventil 30 in Verbindung mit dem Einlaßkanal 26 bzw. dem Auslaßkanal 28 und bildet einen größeren Verdichtungsraumafrschnitfc 46b, der an seiner Oberseite von den Ventilstirnflächen des Einlaßventils 24 und des Auslaßventils und an seiner Unterseite von der Oberseite 22 des Kolbens im oberen Totpunkt begrenzt wird. Die ebene, untere. Stirnfläche des Dachabschnitts 44a des Zylinderkopfes 44, die den kleineren Verdichtungsrauniabschnitt 46a des Hauptbrennraumes 46 begrenzt, ist in Fig. 5b durch eine schraffierte Fläche dargestellt. Das Einlaßventil 26 und das Auslaßventil 28 werden von dem Abschnitt des Zylinderkopfes 44 getragen, der einen Teil des erwähnten Dachabschnitts 44a des Zylinderkopfes 44 bildet. Der spezielle Abschnitt des Zylinderkopf es 44, der einen Teil des Dachabschnitts 44a bildet, ist mit einem Nebenbrennraum 34 versehen, zu dem ein Nebeneinlaßvexitil 38 gehört und der sich an einen Nebeneinlaßkanal anschließt, und zwar in ähnlicher Weise wie bei jeder der bisher beschriebenen Ausführungsformen. Der Nebenbrennraum

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steht in dauernder Verbindung mit dem Hauptbrennraum 44 über einen Flammenkanal 36, der im Dachabschnitt 44a des Zylinderkopfes 44 ausgebildet ist und dessen Auslaßende in den erwähnten kleineren Verdichtungsraumabschnitt 46a des Hauptbrennraumes 46 mündet. Die Richtung des Flammenkanals 36 zum Hauptbrennraum liegt vorzugsweise in einem Winkelbereich, wie er zuvor,unter Bezugnahme auf Fig. 4b erläutert wurde.

Im folgenden wird auf die Figuren 6a und 6b eingegangen. Der darin dargestellte Verbrennungsmotor mit kolbenseitigem Brennraum weist einen Zylinderkopf 48 auf, dessen Dachabschnitt eine ebene, untere Stirnfläche hat, die dicht beim oberen Ende der Zylinderbohrung 14 angeordnet ist. Die VentilStirnflächen des Einlaßventils 24 und des Auslaßventils 26 können daher aus und in Stellungen bewegt werden, in denen sie im wesentlichen mit der unteren Stirnfläche des Dachabschnitts des Zylinderkopfes 48 bündig sind. Der Hubkolben, der hier mit dem Bezugszeichen 50 bezeichnet ist, hat eine negativ gewölbte bzw. halbkugelförmig konkave Oberseite 50a·· Somit wird ein Hauptbrennraum 52 auf seiner Oberseite von der ebenen, unteren Stirnfläche des Dachabschnitts des Zylinderkopfes 48 und den VentilStirnflächen des Einlaßventils 24 und des Auslaßventils 26 sowie an seiner Unterseite von der halbkugelförmig konkaven Oberseite 50a des Hubkolbens 50 begrenzt. Die halbkugelförmig konkave Oberseite 50a des Kolbens 50 hat einen schräg nach oben verlaufenden Umfangsabschnitt, so daß ein kleinerer Verdichtungsraumabschnitt 52a des Hauptbrennraumes 52 zwischen der ebenen, unteren Stirnfläche 48a des Dachabschnitts des Zylinderkopfes 48 und einem entsprechenden Teil des Umfangsabschnitts der halbkugelförmig konkaven Oberseite 50a des Hubkolbens 50 eingeschlossen wird, wenn sich der Kolben 50 in seiner

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oberen Totpunktiago befindet, wie dies in Fig·. 6a dargestellt ist. 3m Zylinderkopf k8 ist ein Nebenbrennraum ^k ausgebildet. Kin FJ ammenkanal 36 geht vom Nebenbrennraura 3'f ans und mündet an seinem Vorderende in den erwähnten kleineren Verdichtungsraumabschnitt 52a des Hauptbrennräumes 52. Das Auslaßende des Flainmenkanals 36 ist vorzugsweise so angeordnet, daß es von der senkrechten Achse des Huuptbronnraumes 52 einen Abstand r hat, der der Beziehung D/6<r<D/2 gehorcht, wobei D der Durchmesser des Hauptbrennraumes 52 ist. Dies heißt mit anderen Worten, daß das Auslaßende des Flammenkanals 36 vor-ztigsweise in einem Bereich des Querschnitts des Hauptbrennraumes 52 liegt, von dem eine Kreisfläche, deren Mittelpunkt auf der senkrechten Achse C des Hauptbrennraumes 52 liegt und die einen Radius r hat, der die genannte Beziehung erfüllt, sowie die Kroisflachen ausgenommen sind, die dem Austrittsende des Einlaßventils 2k und dem Eintritt sende des Auslaßventils 26 entsprechen. Der bevorzugte Bereich zur Anordnung des Auslaßendes des Flammenkanals 36 ist in Fig. 6b durch eine schraffierte Fläche dargestellt.

Die Figuren Ja und ¹Jh zeigen eine Ausführungsform der Erfindung, bei der diese auf einen Verbrennungsmotor vom Pultdachbrennraumtyp angewendet ist, wobei es sich um eine modifizierte Ausführungsform des halbkugelförmigen Brennraumes handelt. Der Verbrennungsmotor umfaßt einen Zylinderkopf 5^» der einen Dachabschnitt 5^'^a aufweist, der eine schräg verlaufende, untere Stirnfläche aufweist und das Einlaßventil 2k und das Auslaßventil 26 trägt, die ebenfalls geneigt verlaufen, so daß oberhalb der flachen Oberseite 22 des Hubkolbens 18 ein ungefähr konischer Hauptbrennraum 56 besteht. Somit besteht der Hauptbrennraum 56 aus einem kleineren Verdichtungsraumabschnitt 56&, der auf seiner Oberseite von der geneigten, unteren Stirnfläche des Dachabschnitts 5ko. des Zylinderkopfes 5^ und auf seiner Unterseite

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von einem entsprechenden Abschnitt der flachen Oberseite 22 des Kolbens 18 begrenzt wird, und aus einem größeren Verdichtung^raumabschnitt ^Gh im Bereich des oberen EndabsohnLtts des konischiiii Haupt br oimraume.; 56. Im Zylinderkopf 54 ist in seinem Bereich in der Nähe seines Daohabsohnit fcs 54a. ein NObenbrennraum 34 atingeüldet, der hiLL dem Flauptbrennraum 56 über einen Flammenkanul '36 in Verbindung steht. Wie Figo 7^a zeigt, mündet der Flanimenkanai '35 über den erwähnten kleineren Verdichtungsraumabsohnitt 509- des Hauptbrennraumes 56· Das Auslaßende des Flaminenkanals 36 hat vorzugsweise von der senkrechten Achse C des Ilaupbbreimraumes 56 einen Abstand r, der die zuvor Im Hinblick auf die Ausführungsform gemäß den Figuren 6a und 6b erwahti.be Beziehung erfüllt. Der Bereich, in dem das Auslaßeiide des Flammenkanals 36 vorzugsweise angeo i.'dno t werden kann, iist in I'^ig. 7b durch eine schraffierte Fläche dargestellt.

Obwohl verschiedene bevorzugte Ausführurigsfornien der Ex·- finduiig unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben worden sind, versteht es sich, daß diese Alis führungsformell lediglich zur Erläuterung des Grundgedankens der Erfindung dienen sollen und daß demgegenüber zahlreiche Abwandlungen vorgeuommen werden können und daß der Grundgedanke der Erfindung bei beliebigen Bauarten von funkengezündeten Verbrennungsmotoren mit hangenden Ventilen für Kraftfahrzeuge realisiert werden kann, sofern die Motoren Hauptbrennräume und iNebönbrennräume der beschriebenen Art aiifweisen.

Patentansprüche:

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Claims

Patent a 11 a ρ r ü c h e

1. Funkengezündetor Verbrennungsmotor mit hängenden Ventilen für ein Kraftfahrzeug·, gekonnzeicb.net durch einen Zylinderblock (12), in dem eine Zylinderbohrung (1*0 ausgebildet ist, einen in dor Zylinderbohrung bewegbaren Hubkolben (18, 50), einen auf dem Zylinderblock angeordneten Zylinderkopf (l6, 44, 48, 5*0» ⁽*^er oberhalb der Zyliriderbohrung· einen Hauptbrennraum (20, 46, 52, 56) bildet, wobei der Hauptbrennraum einen kleineren Verdichtungsraumabschnitt (20b, 46a, 52a, 56a) umfaßt," der oben von einer unteren Stirnfläche eines Dachabschnitts (i6a, i6b, 44a, 48a, 54a) des Zylinderkopfes und unten von der Oberseite (22, 50a) des Kolbens im oberen Totpunkt begrenzt wird, und wobei im Zylinderkopf ein Nebenbrennraum (34), der oberhalb des Dachabschnitts des Zylinderkopfes angeordnet ist, ein Haupteinlaßkanal (28), der über ein Haupteinlaßventil (24) zum Hauptbrennraum führt, ein Nebeneinlaßkanal (4θ), der über ein Nebeneinlaßveritil (38) zum Nebenbrennraum führt, und ein Auslaßkanal (30) ausgebildet sind, der über ein Auslaßventil (2.6) weg vom Hauptbrennraum führt, eine in den Nebenbrennraum ragende Zündkerze (42) und Mittel, die einen Plammenkanal (36) bilden, der für eine Verbindung zwischen dom Hauptbrennraum und dem Nebenbrennraum sorgt, wobei der Flammenkanal ein Auslaßende hat, das in den kleineren Verdichtungsraumabschnitt des Haupt br ennrauitie s münde t.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Haupteinlaßventil (24) und das Auslaßventil (26) von dem Abschnitt des Zylinderkopfes (16, 44, 48, 54) getragen werden, der einen Teil des Dachabschnitts (i6a, 16b, 44a, 48a, 54a) bildet.

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3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslaßende des Flamnipnkana] s (36 ) in einem von zwei Bereichen mit im wesentlichen Sektorform angeordnet; ist, von denen jeder von einer Trennlinie (i6c), die den genannten Dachabschnitt (i6b) vom übrigen Dachabschnitt des Zylinderkopfes (16) trennt, einer von zwei parallelen Linien (L , L ), die in einem Querschnitt des Hauptbrennraumes (20) parallel zu und in vorbestimmtem Abstand von einer Mittellinie (AB) verlaufen, die durch den Mittelpunkt des Querschnitts des Hauptbrennraumes geht und senkrecht zur Trennlinie verläuft, und einem Bogen begrenzt wird, der von einem Abschnitt des Umfangs des Hauptbrennraumes beschrieben wird.

k. Verbrennungsmotor nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen jeder der parallelen Linien (L₁, L ) und der Mittellinie (AB) so gewählt ist, daß die Beziehung d/D ^= 0,15 erfüllt ist, wobei d den Abstand und D den Durchmesser des Umfangs des Hauptbrennraumes (20) darstellt.

5. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis k, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammenkanal (36) zum kleine Verdichtungsraumabschnitt (20b, 46a, 52a, 56a) des Hauptbrennraumes (20, 46, 52, 56) in einem Kinkelbereich gerichtet ist, dessen eines Ende im wesentlichen identisch mit der Richtung der Wirbelrotation eines Luft-Kraftstoff-Gemische ist, das aus dem Haupteinlaßkanal (28) in den Hauptbrennraum einströmt bzw. einschießt, und dessen anderes Ende zum Mittelpunkt des Hauptbrennraumes gerichtet ist.

6. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 5> dadurch gekennzeichnet, daß das Auslaßende des Flammenkanals (36) in bestimmtem Abstand (r) vom Mittelpunkt des Querschnitts des

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Hauptbrennraumes (52, 5^>) angeordnet ist.

7· Verbrennungsmotor nach. Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand so gewählt ist, daß die Beziehung r>D/6 erfüllt ist, wobei r den Abstand und D den Durchmesser des Umfangs des Hauptbrennrauraes (52, 56) darstellt,

8. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebeneinlaßkanal (4θ) entlang und dicht bei dem Auslaßkanal (3θ) verläuft.

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as* .

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