DE2508081B2 - Brennkraftmaschine mit haupt- und zusatzbrennkammer - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder, in dessen durch eine im wesentlichen konkav gewölbte Oberfläche eine Hauptbrennkammer begrenzenden Zylinderkopf der Einlaßkanal des Einlaßventils öffnet und eine Zusatzbrennkammer untergebracht ist, die mit einer Zündkerze in Verbindung steht und die über einen Verbindungskanal mit der Hauptbrennkammer verbunden ist wobei die Achse des Einlaßventils sowie die Mittellinie der Mündung des Einlaßkanals im wesentlichen zum 6o< Mittelabschnitt des Zylinders weisen und der Verbindungskanal von der Mittelachse des Zylinders einen Abstand hat, der kleiner als der Radius des Ventilkegels ist

Es sind für Brennkraftmaschinen verschiedenste *5 Verfahren zur Verbrennung des mageren Brennstoff-Luftgemisches, d.h. des Gemisches mit einem hohen Luft-Brennstoffverhältnis entwickelt worden, um den Ausstoß an schädlichen Bestandteilen der Abgase wie Kohlenmonoxyd (CO), Kohlenwasserstoffe (HC) und Stickstoffoxyde (NOx) zu reduzieren.

Zur Beseitigung der schlechten Zündbarkeit sind Brennkraftmaschinen mit geschichteter Beschickung oder Ladung entwickelt worden, in denen für das Zünden des mageren Brennstoff-Luftgemisches um die Zündkerze eine Zone mit relativ fettem Gemisch gebildet wird, das leicht entzündbar ist und das durch die Zündkerze als erstes gezündet wird, wobei die sich dabei ergebenden Flammen das magere Brennstoff-Luftgemisch entzünden.

Um sowohl die Zündbarkeit als auch die Verbrennungsgeschwindigkeit zu verbessern, d. h. die Effektivität der Brennkraftmaschinen vorbeschriebener Bauart zu verbessern, sind Brennkraftmaschinen entwickelt worden (DT-OS 2402412), die eine geschichtete Ladung sowie eine Zusatzbrennkammer aufweisen. Diese ist mit einer Hauptbrennungskammer über einen Verbindungskanal verbunden. Ein mageres Gemisch wird in die Hauptbrennkammer über ein Haupteinlaßventil eingefüllt während ein leicht zu zündendes fettes Gemisch in die Zusatzbrennungskammer geleitet wird, wobei man entweder ein zusätzliches Einlaßventil vorsieht oder Brennstoff durch ein Brennstoffeinspritzventil odur eine Brennstoffeinspritzdüse einspritzt Das relativ fette Gemisch der Zusatzbrennkammer wird durch die Zündkerze als erstes gezündet so daß die Verbrennungsflamme durch den Verbindungskanal in die Hauptbrennkammer geschleudert werden kann, und das magere Brennstoff-Luftgemisch der Hauptbrennkammer entzündet wird. Die Brennkraftmaschinen dieser Bauart sind bezüglich der Verbrennung des mageren Luft-Brennstoffgemisches sowohl hinsichtlich der Zündbarkeit als auch der Verbrennungsgeschwindigkeit sehr effektiv; es haben jedoch diese Maschinen den erheblichen und deutlichen Nachteil, daß das Brennstoffzufuhrsystem ziemlich kompliziert ist, da getrennt sowohl fette als auch magere Gemische eingefüllt werden müssen. So wird beispielsweise das fette Gemisch über einen zusätzlichen Vergaser und gegebenenfalls ein zusätzliches Einlaßventil zugeführt, das neben Haupteinlaßventil und Auslaßventil ebenfalls im Zylinderkopf untergebracht werden muß. Da die Einlaßsysteme für fette und magere Gemische getrennt anzuordnen sind, wird die Konstruktion und der Aufbau des Zylinderkopfs erheblich komplex, wodurch schwieriges Gießen der Zylinderköpfe die Folge ist und sich verringerte Produktivität und erhöhte Kosten ergeben. Ferner müssen der Hauptvergaser für das magere Gemisch und der zusätzliche Vergaser für das fette Gemisch so gesteuert werden, daß eine vorbestimmte Relation zwischen dem fetten und dem mageren Gemisch korrekt eingehalten oder in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Maschine variiert wird. Es müssen daher beispielsweise die Teile des Gestänges, das die Drosselklappen des Hauptvergasers und des Nebenvergasers verbindet mit einer höheren Toleranzgrenze gefertigt werden. Sonst ist genaues und gleichzeitiges Steuern des Hauptvergasers und des zusätzlichen Vergasers bei solchen Maschinen nicht erreichbar. Verwendet man Brennstoffeinspritzventile zur Vereitung des fetten Gemisches in der Zusatzbrennkammer, wird die Konstruktion noch komplizierter, wodurch sich weitere Kostensteigerungen ergeben.

Es ist schließlich eine Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Gattung bekannt (DT-OS 21 47 648). In diesem Fall soll infolge Trägheitswirkung

eine Gemischkonzentration längs der konkaven Wand des Ansaugkanals herbeigeführt werden und eine Gestaltung so vorgenommen werden, daß dieses sich im Ansaugkanal anreichernde Gemisch unmittelbar in den Zündkerzenkanal beim Ansaughub gelenkt wird, aus welchem Grund die öffnung des Zöndkerzenkanals dem Ansaugkanal zugewandt ist Bei diese,- Anordnung besteht die Gefahr, daß mit Rücksicht auf die unmittelbare Beaufschlagung der Zusatzbrennkammer beim Ansaughub in dieser noch vorhandene Restgase durch das einströmende Gemisch in der Umgebung der am Ende der Zusatzbrennkiimmer befindlichen Zündkerze eingefangen werden, so daß die beabsichtigte Wirkung einer verbesserten Zündbarkeit nicht erreicht wird. j₅

Aufgabe der Erfindung ist es, bei der Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Gattung für mageres Luft-Brennstoffgemisch eine solche Ausgestaltung zu schaffen, daß eine gute Zündlahigkeit gewährleistet und eine hohe Verbrennungsgesdiwindigkeit erreicht wird.

Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß die Oberfläche teilsphärisch ist, der nahe dem Scheitel der teilsphärischen Oberfläche liegende Bereich des Ventilkegel des Einlaßventils nahezu tangential zu dieser und zur an ihn angrenzenden Einlaßkanalwandung verläuft und die Elektroden der Zündkerze nahe der öffnung des Verbindungskanals in die Haiuptbrennkammer liegen.

Mit Rücksicht auf die teilsphärische Ausbildung der Oberfläche des Zylinderkopfs und der gewählten Anordnung und Ausgestaltung des Einlaßventils wird beim Ansaughub der Gemischstrom entlang der teilsphärischen Oberfläche des Zylinderkopfs geleitet, wodurch sich durch die aufgezwungene gekrümmte Bahn eine starke Wirbelbildung ergibt. Da der Gemischstrom mit hoher Geschwindigkeit an dem Verbindungskanal vorbeistreicht, wird beim Ansaughub Restgas aus der Zusatzbrennkammer abgesaugt Durch die starke Wirbelbildung wird andererseits infolge der Zentrifugalwirkung das Gemisch im Bereich der teilsphärischen Oberfläche angereichert, so daß beim nachfolgenden Kompressionshub ein relativ fettes Gemisch in die Zusatzbrennkammer gepreßt wird, wobei noch in dieser Kammer verbliebene Restgase in den hinteren Teil der Kammer verdrängt werden, während sich im Bereich der Zündkerzenelektroden ein relativ fettes Gemisch befindet, so daß die Zündung erleichtert wird. Die durch die Zündung ausgelöste und in der Zusatzbrennkammer beginnende Verbrennung sorgt dabei für eine in die Hauptbrennkammer in den Abgasstrom der Wirbel gerichtete Druckflamme, durch die die Zündung des mageren Gemisches bewirkt und beschleunigt wird.

Es ist bekannt (DT-AS 12 32 783), durch Zentrifugalwirkung einer sich im Hauptbrennrajm ausbildenden Wirbelströmung in den radialen Außenbereichen des Wirbels ein fetteres Gemisch in Zündkerzennähe zu erhalten; und ^war ist im Zylinderkopf eine teilringförmige Verdampfungskammer vorgesehen, die an beiden Enden und längs eines teilringförmigen Schlitzes mit der Hauptbrennkammer verbunden ist und in ihrer Mitte die Zündelektroden aufnimmt, wobei über das Einlaßventil in die Hauptbrennkammer Luft und mittels eines im Einlaßkanal untergebrachten Schiebers über eine gesonderte Leitung ein Brenngemisch in die Verdampfungskammer geleitet wird, an deren heißen außenlie- ⁶S genden Wandabschnitten sich infolge der Zentrifugalwirkung im Gemisch enthaltende Brennstofftröpfchen sammeln und verdampfen.

Es ist femer bekannt (DT-OS 15 26 294), Luft und über eine gesonderte Düse Brennstoff so in den Hauptbrennraum einzuführen, daß sich unter Nutzung der Gestaltung von Kolbenoberfläche und Zylinderkopf senkrechte parallel geschichtete Wirbel bilden, von denen die der Zündkerze benachbarten den Brennstoff zugeführt bekommen, so daß sich eine Schichtladung ergibt

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert

F i g. 1 und 2 sind schematische Schnittansichten zweier Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen brennkraftmaschine;

Fig.3 ist eine schematische Darstellung einer Experimentiervorrichtung, wie sie zur Durchführung von Versuchen von dem Erfinder benutzt wurde.

In F i g. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen Maschinenzylinder mit dem Kolben 2 und dem Zylinderkopf 3, der über eine Dichtung 4 auf dem Zylinderblock sitzt Durch die innere Oberfläche 6 des Zylinderkopfes 3 und die Stirnfläche 5 des sich im oberen Totpunkt befindenden Kolbens 2 wird eine Hauptb. ennkammer 7 gebildet Die innere Oberfläche 6 des Zylinderkopfs 3 ist im wesentlichen teilsphärisch gestaltet oder hat eine einer teüsphänschen Form im wesentlichen entsprechende Teilgestalt einer Halbkugel. Die Stirnfläche 5 des Kolbens 2 ist gemäß F i g. 1 flach oder eben. Durch den Zylinderkopf 3 erstreckt sich ein Einlaßkanal 8, durch den ein relativ mageres Gemisch zugeführt wird und der in die Hauptbrennkammer 7 in einer solchen Weise mündet, daß die in der Nähe der Mündung, d. h. in der Nähe des Einlaßventils 9 befindliche Mittellinie des Einlaßkanals 8 in Richtung auf den Mittelabschnitt des Zylinders 1 gerichtet ist. Die Achse des Einlaßventils 9 ist ebenfalls in Richtung auf den Mittelabschnitt des Zylinders 1 gerichtet Der Bereich 9a des Ventilkegels des Einlaßventils, der sich nahe dem Scheitel der teilsphärischen Oberfläche befindet liegt nahezu tangential zur teilsphärischen Oberfläche der Hauptbrennkammer, so daß der Gemischhauptstrom durch den zwischen dem Bereich 9a des Ventilkegels und dem Ventilsitz 11 gebildeten Spalt in Richtung auf den Scheitel der Hauptbrennkammer 7 strömt. Die innere Oberfläche 11 a des Ventilsitzes 11. der aus gesintertem Metall od. dgl. besteht und sich an der Mündung des Einlaßkanals 8 befindet, schließt sich weich an die Innenoberfläche des Einlaßkanals 8 an, so daß der Gemischstrom nicht durch die Gegenwart des Ventilsitzes 11 gestört wird. Der dem Scheitel der Hauptbrennkammer 7 abgewandte Abschnitt des Ventilsitzes 11 ist gegenüber der Innenoberfläche 6 der Hauptbrennkammer 7 nach außen rückgesetzt, so daß das Gemisch daran gehindert werden kann, über den Spalt, der zwischen der Innenwand der Hauptbrennkammer in der Nähe des dem Scheitel der Hauptbrennkammer abgewandten Abschnitts des Ventilsitzes 11 und der Kante des Einlaßventils 9 gebildet wird, in die Hauptbrennkammer zu strömen. Es wird daher der Hauptteil des Gemisches so gerichtet, daß er durch den Hauptspalt 10 in die Hauptbrennkammer 7 strömt.

In der Nähe des Scheitels der Hauptbrennkammer 7 ist eine Zusatzbrennkammer 13 gebildet, die über einen Verbindungskanal 12 mit der letzteren verbunden ist. Die öffnung des Kanals 12 an der inneren Oberfläche 6 der Hauptbrennkammer 7 ist in Richtung auf die Abströmrichtung der Wirbel gerichtet, die in der Hauptbrennkammer 7 gebildet werden, wie es im

einzelnen noch erläutert wird. Die Elektroden 15 einer Zündkerze 14 liegen in dem Kanal 12 in der Nähe der öffnung dieses Kanals in die Hauptbrennkammer 7. Das Bezugszeichen 16 bezeichnet ein Auslaßventil.

Bei einem Saughub der Maschine wird der Kolben 12 abgesenkt und das Einlaßventil 9 geöffnet, so daß das relativ magere Gemisch durch die Mündung 8 in die Hauptbrennkammer 7 gefördert wird. Das magere Gemisch wird zwangsläufig in einer vertikalen Ebene, die die Achse des Zylinders 1 und die Mündung 8 enthält, entlang der lnnenoberfläche 6 gewirbelt, wie es durch die Pfeile in F i g. 1 angedeutet ist.

Der Grund dafür, daß solche Gemischwirbel gebildet werden, liegt in der voneinander abhängigen Gestaltung der Mündung des Einlaßkanals, des Einlaßventils und der Brennkammer, wobei diese Merkmale u. a. folgendes bewirken:

1. Beim Saughub strömt das Gemisch mit beträchtlich hoher Geschwindigkeit derart durch die öffnung 8, daß es infolge seiner Trägheit nicht vollständig der Krümmung der öffnung 8 folgen kann und dementsprechend durch den Hauptspalt 10 gezwungen wird;

2. der Gemischhauptstrom trifft unter Ablenkung gegen den Ventilkegel des Einlaßventils 9, so daß er in Richtung auf den Hauptspalt 10 abgelenkt wird;

3. die Öffnung des Hauptspaltes 10 liegt in Richtung des Hauptstroms an frischem Gemisch, so daß der Widerstand des Hauptspalts ziemlich niedrig ist, während der dem Hauptspalt 10 abgewandte Abschnitt des Ventilsitzes 11 nach außen von der lnnenoberfläche 6 des Zylinderkopfs rückgesetzt ist, so daß der Spalt zwischen dem zurückgesetzten Abschnitt des Ventilsitzes 11 und dem Einlaßventil 9 einen hohen Widerstand für den Durchstrom des eintretenden Gemisches bietet;

4. mit Rücksicht auf die Gründe gemäß 1, 2, und 3. wird der durch den Hauptspalt 10 gehende Gemischstrom entlang der Innenfläche 6 der Hauptbrennkammer 7 gezwungen, und zwar infolge des Coanda-Effekts, so daß sich entlang der Innenfläche 6 intensive Wirbel bilden, wie es schematisch in F i g. 3 verdeutlicht ist, die eine in der Praxis erprobte Versuchsanordnung verdeutlicht

Die öffnung des Verbindungskanals 12 zwischen der Hauptbrennkammer 7 und der Zusatzbrennkammer 13 ist zur Abströmrichtung des Gemischhauptstroms gerichtet, der entlang der imrenoberfläche 6 mit hoher Geschwindigkeit abströmt, so daß die in der Zusatzbrennkammer 13 verbliebenen Restgase aus dieser dnrch Ejektoreffekt abgesaugt werden. Dieser Ejektoreffekt würde geschwächt, wenn die öffnung des Kanals 12 nicht um den Scheitel der Hauptbrennkammer gelegen wäre, wo örtlich intensive Wirbel vorliegen. Es ist daher wichtig, die öffnung des Kanals 12 im Abstand vom Scheitel um den Scheitel der Hauptbrennkammer 7 innerhalb eines Radius anzuordnen, der gleich dem Radius des Ventilkegels 9a des Einlaßventils 9 ist. Durch die Zentrigugalkraft der Wirbel wird «in relativ fettes Gemisch entlang der Innenfläche 6 der Hauptbrennkammer 7 gebildet, das durch den Kanal 12 in die Zu^atzbrennkammer 13 gedrückt wird und auf diese Weise relativ fett wird. Ist die öffnung des Kanals 12 weit vorn Scheitel der Hauptbrennkammer 7 entfernt, würde das fette Gemisch nicht in die 21usatzbrennkammer 13 gedrückt werden. Es ist daher außerdem wichtig, das Zentrum der öffnung des Kanals 12 im Abstand vom Scheitel innerhalb eines Radius um den Scheitel den Hauptbrennkammer 7 anzuordnen, der gleich dem Radius des Ventilkegels 9a des Einlaßventils 9 ist Im Endstadium des Kompressionshubs wird das noch in den Kana! 12 strömende Gemisch durch die Zündkerze 14 gezündet Gemäß Vorbeschreibung werden die in der Zusatzbrennkammer verbliebenen Restgase in erheblicher Menge durch die Ejektorwirkung beim Saughub herausgesaugt Dennoch verbleibendes Restgas wird während des Verdichtungshubs durch das frisch eintretende Gemisch in die Zusatzbrennkammer 13 gedrückt Ferner gibt es einen Gemischstrom von der Hauptbrennkammer 7 zur Zusatzbrennkammer 13 im Kanal 12 Bei der Zündung befindet sich kein Restgas an der Stelle im Kanal 12, an der sich die Zündkerze 14 befindet Ferner wird ein relativ fettes frisches Gemisch aus der Hauptbrennkammer 7 in den Kanal gefördert, so daß die Zündbarkeit erheblich verbessert wird. Die eine hohe Temperatur und hohen Druck aufweisende Verbrennungsflamme der Zusatzbremikammer wird aus dem Kanal 12 mit äußerst hoher Geschwindigkeit in die Hauptbrennkammer geschleudert so daß das relativ magere Gemisch der Hauptbrennkammer 7 sofort durch die Flamme, d. h. durch den Fackeleffekt gezündet werden kann.

Die zweite Ausführungsform gernäß Fig.2 ist im wesentlichen mit derjenigen nach F i g. 1 identisch mit der Ausnahme, daß die Stirnfläche des Kolbens teilsphärisch konkav vertieft ist wie es bei 5' angedeutet ist Durch die teilsphärische konkave Oberfläche des Kolbens 12 verringern sich die vorbeschriebenen Gemischwirbel erst beim nächsten Kompressionshub Es ist daher der Effekt der Bildung eines relativ fetter Gemisches durch die Zentrigugalkraft infolge Verwirbelung erheblich gegenüber der ersten Ausführungsform verstärkt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   L Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder, in dessen durch eine im wesentliches konkav gewölbte Oberfläche eine Hauptbrennkammer begrenzendes Zylinderkopf der Einlaßkanal des Einlaßventils öffnet und eine Zusatzbrennkammer untergebracht ist, die mit einer Zündkerze in Verbindung steht und die über einen Vcrbindungskanal mit der Hauptbrennkammer verbunden ist, wobei die Achse des Einlaßventils sowie die Mittellinie der Mündung des Einlaßkanals im wesentlichen zum Mittelabschnitt des Zylinders weisen und der Yerbindungikanal von der Mittelachse des Zylinders einen Abstand hat, der kleiner als der Radius des Ventilkegels ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche teilsphärisch ist der nahe dem Scheitel der teilsphärischen Oberfläche liegende Bereich des Ventilkegels {9a) des Einlaßventils (9) nahezu tangential zu dieser und zur an ihn angrenzenden Einlaßkanalwandung verläuft und die Elektroden (15) der Zündkerze (14) nahe der öffnung des Verbindungskanals in die Hauptbrennkammer (7) liegen.
2. 2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßkanal (8) im wesentlichen normal zur Mittelachse des Zylinders (1) gerichtet ist und das innere Ende des Einlaßkanals in Richtung zum Mittelabschnitt des Zylinders abgekrümmt ist wobei der dem Scheitel der teilsphärischen Oberfläche abgewandte Abschnitt der Ventilfläche gegenüber der teilsphärischen Oberfläche rückgesetzt ist
3. 3. Brennkraftmaschine r«ach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die öffnung des Verbindungskanals (12) an der teilsphärischen Oberfläche des Zylinderkopfs in Abströmungsrichtung des Gemischhauptstroms weist der entlang der teilsphärischen Oberfläche strömt
4. 4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß der Kolben (2) eine ebene Stirnfläche (5) hat
5. 5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß der Kolben (2) eine konkav teilsphärische Stirnfläche (5') hat