DE2508081C3 - Brennkraftmaschine mit Haupt- und Zusatzbrennkammer - Google Patents

Description

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 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 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 Zürdbarkeit 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-Luftges misch entzünden.

Um sowohl die Zündbarkejt als auch die Verbrennungsgeschwindigkeit zu verbessern, d. h. die Effektivität der Brennkraftmaschinen vorbesehriebener Bauart zu verbessern, sind Brennkraftmaschinen entwickelt

ίο worden (DE-OS 24 02 412), die eine geschichtete Ladung sowie eine Zusatzbrennkammer aufweisen. Diese ist mit einer Hauptbrennungskammer über einen Vcrbindungskanal verbunden. Ein mageres Gemisch wird in die Hauptbrennkammer über ein Haupteinlaß-

is ventil 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 oder eine Brennstoffeinspritzdüse einspritzt. Das

zn relativ fette Gemisch der Zusatzbrennkammer wird durch die Zündkerze als erstes gezündet, so daß die Verbrennungsfiamme durch den Verbindungskanal in die Hauptbrennkammer geschleudert werden kann, und das magere Brennstoff-Luftgemisch der Haupibrennkammer entzündet wird. Die Brennkraftmaschinen dieser Bauart sind bezüglich der Verbrennung des mageren Luft-Brennstoff gemisches sowohl hinsichtlich der Zündbarkeit als auch der Verbrennungsgeschwindigkeit sehr effektiv; es haben jedoch diese Maschinen

jo 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 (DE-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

<>5 Ansaugkanal anreichernde Gemisch unmittelbar in den Zündkerzenkanal beim Ansaughub gelenkt wird, aus welchem Grund die öffnung des Zündkerzenkanals dem Ansaugkanal zugewandt ist. Bei dieser Anordnung

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besieht 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 Zusatzbrennkammer befindlichen Zündkerze eingefangen werden, so daß die beabsichtigte Wirkung einer verbesserten Zündbarkeit nicht erreicht wird.

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

Diese Aufgabe ist durch die gekennzeichneten Merkmale des Patentanspruchs I gelöst.

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 ufi 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 bekan.it (DE-AS 12 32 783), durch Zentrifugalwirkung einer sich im Hauptbrennraum ausbildenden Wirbelströmung in den radialen Außenbereichen des Wirbels ein fetteres Gemisch in Zündkerzennähe zu erhalten; und zwar ist im Zylinderkopf eine teilringförmige Verdampfungskammer vorgesehen, die an beiden Enden und längs eines teilringförmigen Schlitzes mit der Hauptbrannkammer 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 außenliegenden Wandabschnitten sich infolge der Zentrifugalwirkung im Gemisch enthaltende Brennstofftröpfchen sammeln und verdampfen.

Es ist ferner bekannt (DE-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 Jη Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fie. 1 und 2 sind sc'.i^matische Schnittansichten zweier Ausführungsforiiien einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine;

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

In Fig. I bezeichnet das Bezugszeichen I 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

ίο Zylinderkopfes 3 und die Stirnfläche S des sich im oberen Toipunkt befindenden Kolbens 2 wird eine Hauptbrennkammer 7 gebildet. Die innere Oberfläche 6 des Zylinderkopfs 3 ist im wesentlichen teilsphärisch gestaltet oder hat eine einer teilsphärischen Form im

ij wesentlichen entsprechende Teilgestall einer Halbkugel. Die Stirnfläche 5 des Kolbens 2 ist gemäß Fig. 1 flach oder eben. Durch den Zylinderkopf 3 erstreckt sich ein Einlaükanal 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 d«:» Einlaßventils 9 befindliche Milldiinie des Einlaßkanals 8 in Richtung auf den Millelabschnitt des Zylinders I gerichtet ist. Die Achse des Einlaßventils 9 ist ebenfalls in Richtung auf den Miltclabschnitt des Zylinders 1 gerichtet. Der Bereich 9.' des Ventilkegels des Einlaßventils, der sich nahe dem Scheitel der teilsphärischen Oberfläche befindet, liegt nahezu tangential zur leilsphärischen Oberfläche der Hauptbrennkammer, so daß der Gemischhauptstrom durch den zwischen dem Bereich 9a des Ventilkegels und dem Ventilsitz Il gebildeten Spalt in Richtung auf den Scheitel der Hauptbrennkammer 7 strömt. Die innere Oberfläche I la 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 Il 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 Haupispali 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 letzleren verbunden ist. Die Öffnung des Kanals 12 an der inneren Oberfläche 6 der Hmiplbrennkammer 7 ist in Richtung auf die

SS 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 Hauplbrennkammer 7. Das Bezugszeichen 16 bezeichnet ein Auslaßventil.

Bei einem Saughub der Maschine wird der Kolben 12 abgesenkt und das Einlaßventil 9 geöffnet, so dal 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 ZylincivTS 1 und die Mündung 8 enthält, entlang der Innenoberfläche 6 gewirbelt, wie es durch die Pfeile in F i e. I aneedeutet ist.

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

1. Reim 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 JO gc-/wimgen wird;

2. der Gemischhaiiplslrom Iriffl unter Ablenkung gegen den Ventilkegel des Einlaßventils 9. so daß er in Richtung auf den llaiiptspalt 10 abgelenkt wird;

) die Öffnung des llauptspiilies 10 liegt in Richtung is des llauptslroms an frischem Gemisch, so dall der Widerstand des Hauplspalls /icmlich niedrig ist. wahrend der dem Hauptspalt 10 abgewandtc Abv.'hni!¹. des Vcniüsi'/es !! nuch luiüen ν<?ίΐ der Innenoberfläche 6 des Zylinderkopfs rückgeset/t μ ist. so daß der Spalt /wischen dem zurückgesetzten Abschnitt lies Ventilsitzes Il und dem Einlaßventil 9 einen hohen Widerstand für den Durchstrom des eintretenden Gemisches bietet;

4. mn Rücksicht auf die Gründe gemalt 1.. 2.. und 3. wird der durch den llauptspall 10 gehende Gemischslrom entlang der Innenfläche f> der I lauptbrennkammcr 7 ge/wungcn. und /war infolge des Coanda Effekts, so daß sich entlang der Innenfläche 6 intensive Wirbel bilden, wie es \·~> schematisch in I'ig. } verdeutlicht ist. die eine in der Praxis erprobte Versuchsanordnung verdeutlicht.

Die Öffnung des Vcrbindungskanals 12 /wischen der llauplbrennkammcr 7 und der /usat/brennkammer 11 t< isi /ur Abstriimrichtung des Gcmisihhauptstroms gerichtet, der entlang der Innenoberfläche β mit hoher Geschwindigkeit abströmt, so daß die in der Zusatz brennkammer 11 verbliebenen Restgase aus dieser durch Ejektoreffekt abgesaugt werden. Dieser Ejektor- )-> effekt würde geschwächt, wenn die öffnung des Kanals nicht um den Scheitel der Hauplbrennkammer gelegen ware, wo örtlich intensive wirncl vorliegen, t-.s ist daher wichtig, die öffnung des Kanals 12 im Abstand vom Scheitel um den Scheitel der Hauptbrcnnkammer 7 4s innerhalb eines Radius anzuordnen, der gleich dem Radius des Ventilkegels 9a des Einlaßventils 9 ist. Durch die Zcntrigugalkraft der Wirbel wird ein relativ fettes Gemisch entlang der Innenfläche 6 der Hauptbrennkammer 7 gebildet, das durch den Kanal 12 in die Ztisat/brennkammer 13 gedrückt wird und auf diese Weise relativ fett wird. Ist die Öffnung des Kanals 12 weit vom Scheitel der Hauptbrennkammer 7 entfernt, würde das fette Gemisch nicht in die Zusatzbrennkammer 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 Hauplbrennkammer 7 anzuordnen, der gleich dem Radius des Ventilkegel« 9a des Einlaßventils 9 ist. Im Endstadiuni des Kompressionshubs wird das noch in den Kanal 12 strömende Gemisch durch die Zündkerze 14 gezündet. Gemäß Vorbeschreibung werden die in der Zusal/brennkammer verbliebenen Reslgase in erheblicher Menge durch clic Ejcktorwirkung beim Saughtib hi.>r:iiitur<i:iiiirl Dpnnni'h vrrhlrihrnrlrs Röstgas wirrt während des Verdichtungshubs durch das frisch eintretende Gemisch in die Zusatzbrennkammer 13 gedrückt, l'crncr gibt es einen Gemischstrom von der Hauplbrennkammer 7 /ur Zusatzbrcnnkammer 13 im Kanal 12. Hei der Zündung befindet sich kein Reslgas an der Stelle im Kanal 12. an der sich die Zündkerze 14 befindet, lerner wird ein relativ feiles frisches Gemisch aus der Hauplbrennkammer 7 in den Kanal gefördert, so daß d'- Zündbarkcit erheblich verbessert wird. Die eine hohe Temperatur und hohen Druck aufweisende Verbrennungsflamme der Zusatzbrcnnkammer wird aus dem Kanal 12 mit äußerst hoher Geschwindigkeit in die llaiiptbrennkammer geschleudert so daß das relativ magere Gemisch der Hauplbrennkammer 7 sofort durch die I-'lamme, d. h. durch den Eackclcffckt gezündet werden kann.

Die /weite Aiisführungsform gemäß Fig. 2 ist im wesentlichen mn derjenigen nach E i g. 1 identisch mit der Ausnahme, daß die Stirnfläche des Kolbens 2 teilsphärisch konkav vertief! ist. wie es bei 5' angedeutet ist Durch die teilsphärische konkave Oberfläche des Kolbens 12 verringern sich die vorbeschriebenen Gemischwirbel erst beim nächsten Kompressionshub, t-.s ist daher der i-j'ieki eier Bildung eines reiaiiv feilen Gemisches durch die Zcnlrigugalkraft infolge Verwirbelung erheblich gegenüber der ersten Ausführungsform verstärkt.

Hierzu 2 {Halt /ciclimmiicii

Claims (3)

Patentansprüche;

1. 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 Huuptbrennkammer verbunden ist, wobei die Achse des Einlaßventils sowie die Mittellinie der Mündung des Einlaßkanals im wesentlichen zum Mittelabschnitt des Zylinders weisen und der Verbindungskanal von der Mittelachse des Zylinders einen Abstand hat, der kleiner als der Radius des Ventilkegel ist. dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche teilsphärisch ist. der nahe dem Scheitel der teilsphärischen Oberfläche liegende Bereich des Ventilkegel;. (9u) nahezu tangential zu dieser verläuft, die öffnung des Vcrbindungskanals (12) an der teilsphärischen Oberfläche in Abströmrichtung des Gemischhauptstroms weist, der entlang der teilsphärischen Oberfläche strömt, und daß die Elektroden (15) der Zündkerze (14) nahe der Öffnung des Verbindungskanals in die llauplbrennkammer (7) liegen.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch I, bei der der Einlaßkanal im wesentlichen normal zur Mittelachse des Zylinders gerichtet ist und das innere Ende des Einlaßkanals in Richtung zum Mittelabschnitt des Zylinders abgckrümmt ist. dadurch gekennzeichnet, daß der dem Scheitel der teilsphärischen Oberfläche abgewandtc Abschnitt der Ventilfläche gegenüber der teilsphärischen Oberfläche rückgeset/t ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (2) eine konkav tcilsphärischc Stirnfläche (5') hat.