DE2543401A1

DE2543401A1 - Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE2543401A1
Application number: DE19752543401
Authority: DE
Inventors: Masami Konishi; Norihiko Nakamura; Shogo Sanda
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1975-07-03
Filing date: 1975-09-29
Publication date: 1977-01-13
Also published as: JPS5327403B2; GB1524202A; SU995709A3; JPS526807A; DE2543401B2

Description

PATENTANWÄLTE

^Müller 09örner <L

MÜNCHEN 22 · WIDENM AYERSTRASSE 49 1 BERLI N-DAHLEM 33 · PODBIELSKIALLEE 68

BERLIN : DIPL.-1NG. R. MÜLLER-BÖRNER MÜNCHEN: DIPL.-ING. HANS-H. WEY

28 029

TOYOTA JIDOSHA KOGYO KABUSHIKI KAISHA Aichi-ken / Japan

Verbrennungsmotor

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor mit einer Hauptbrennkammer und einer mittels eines Kanals mit dieser verbundenen Hilfsbrennkammer und einer Zündkerze.

Es ist bekannt, dass man in einem Verbrennungsmotor auch magere Kraftstoffluftgemische verbrennen kann, d.h. Gemisohe mit einem hohen Verhältnis Luft zu Kraftstoff, um den Schadetoffanteil in den Abgasen, wie CO, HC und NO , gering zu halten. Die Vervendung magerer Gemischte bringt jedoch einige Schwierigkeiten mit sich, insbesondere kann der Kraftstoffverbrauch pro Kilowattstunde durch Fehlzündungen oder Zündausfälle und durch eine niedrige Verbrennungsgeschwindigkeit sehr ansteigen.

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BERLIN: TELEFON (0 3O) 8 31 2O 88 MÜNCHEN: TELEFON (O 80) 22 55 8β

KABEL: PROPINDUS · TELEX O1 84Ο67 KABEL: PROPlNDUS- TELEX 05 24 244

Um diese Nachteile zu vermeiden, ist bereits ein Verbrennungsmotor vorgeschlagen worden, der eine Hauptbrennkammer und eine Hilfsbrennkammer enthält, die durch einen Kanal miteinander verbunden sind. Das Gemisch in der Hilfsbrennkammer kann zuerst verbrannt werden und die so in der Hilfsbrennkammer entwickelte Flamme kann durch den Kanal in die Hauptbrennkammer geführt werden, um das dort vorhandene Gemisch zu verbrennen»

Einen derartigen Motor kann man auf zwei verschiedene Arten betreiben. Bei der einen Art kann man geschichtete Mischungen verbrennen, bei der anderen Art ist das Gemisch in sich gleichförmig. Bei der ersten Art wird zunächst ein fettes Gemisch, das leicht zündbar ist, durch ein Hilfseinlassventil in die Hilfsbrennkammer geleitet und dort gezündet und darin verbrannt· Dies hat den Vorteil₉ dass eine einfache und sichere Zündung durchgeführt werden kann, während in der Hauptbrennkammer ein nur mageres Gemisch vorhanden zu sein braucht, das durch die brennenden Gase aus der Hilfsbrennkammer gezündet wird.

Bei der zweiten Art sind keine Mittel zum getrennten Einleiten eines Gemische in die Hilfsbrennkammer, wie beispielsweise ein Hilfsventil, vorgesehen, das Gemisch wird vielmehr aus der Hauptbrennkammer durch den Verbindungskanal während des Verdichtungstakts in die Hilf sbrennkammer gedrückt und wird in letzterer gezündet und verbrannt_o Diese Art Verbrennungsmotor ist einfach aufgebaut und einfach herstellbar und zu warten und ist im Betrieb sehr zuverlässig. Er hat jedoch den Nachteil, dass mageres Gemisch schlechter zündet als fettes Gemisch und dass die Zündwilligkeit des Gemische zusätzlich herabgesetzt ist durch Restgase, die vom vorangegangenen Verbrennungszyklus noch in der Hilf sbrennkammer vorhanden sind_o

Die Anmelderin hat daher bereits Versuche unternommen, diesen Motortyp zu verbessern. So hat man die Zündkerze so in dem

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Motor angebracht, dass ihre Elektroden am Ende des Verbindungskanals zu liegen kommen» Auf diese Weise ist in der Umgebung der Elektroden am Ende des Anlauftaktes nur frisches mageres Gasgemisch vorhanden. Während des nachfolgenden Verdichtungstaktes werden etwa vorhandene Restgase aus diesem Bereich in die Hilfsbrennkammer hineingedrückt. Das magere Gemisch kann daher mit grosser Sicherheit gezündet werden und verbrennt unbeeinflusst von den Restgasen· Die so erzeugte Flamme kann sich in der Hauptbrennkammer ausbreiten und verbrennt das darin enthaltene Gemisch,

Bei einem Motor mit geschichteter Verbrennung sind die Elektroden der Zündkerze ebenfalls vorzugsweise in oder nahe dem Kanal angeordnet, der Haupt- und Hilf sbrennkanuner miteinander verbindet. Wenn die Kerzenelektroden nämlich im Inneren der Hilfsbrennkammer angeordnet wären, dann würde ein Anteil unverbrannten fetten Gemisches aus der Hilfsbrennkammer in die Hauptbrennkammer infolge der Volumenausdehnung der brennenden Gase hinausgedrückt werden, so dass das Luftkraftstoffverhältnis verkleinert würde. Auf diese Weise würde das Gemisch in der Hauptbrennkammer überfettet werden. Dies widerspricht aber dem Hauptzweck eines Motors mit geschichteter Verbrennung, welcher darin besteht, mageres Gemisch zu verbrennen.

Es muss daher bei Motoren dieser Art Ziel sein, die Elektroden der Zündkerzen in oder nahe dem Verbindungskanal anzuordnen. Dies bringt jedoch den Nachteil mit sich, dass die Elektroden, speziell die geerdete Elektrode, sehr leicht überhitzt werden können, da die in der Hilfsbrennkammer brennenden Gase beim Ausströmen in die Hauptbrennkammer an den Kerzenelektroden vorbeiströmen. Die Folge hiervon sind Frühzündungen und ein vorzeitiger Verschleiss der Zündkerze,

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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor der eingangs genannten Art derart auszugestalten, dass schädliche Einflüsse auf die Zündkerze vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Elektroden der Zündkerze in oder nahe dem Kanal derart angeordnet sind, dass sie vom aus der Hauptbrennkammer in die Hilfsbrennkammer strömenden Frischgasgemisch umspült sind, und dass Mittel zum Schutz der Elektroden gegen das Umspülen durch die aus der Hilfsbrennkammer in die Hauptbrennkammer strömenden brennenden Gase vorgesehen sind·

Zweckmässige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung soll an einigen bevorzugten Ausführungsformen nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Pig«, 1 einen Schnitt durch den interessierenden Teil eines Verbrennungsmotors nach der Erfindung;

Fig. 2 und 3 verschiedene Zustände während der Gasströmungen zwischen Haupt- und Hilfsbrennkammer;

Fig. k_t 5 und 6 eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit verschiedenen Zuständen der Gasströmung zwischen Haupt- und Hilfsbrennkammer und

Fig» 7 eine dritte Ausführungsform der Erfindung.

Die Figuren 1 bis 3 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einem Zylinderblock 1 und einem

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Zylinder 2, die oben von einem Zylinderkopf 4 abgeschlossen sind. Im Zylinder 2 ist ein Kolben 3 angeordnet. Eine erste Brennkammer 6, die nachfolgend mit Hauptbrennkammer bezeichnet ist, ist zwischen dem Zylinderkopf 4 und dem oberen Ende des Kolbens 3 in dessen oberer Totpunktstellung ausgebildet« Die Hauptbrennkammer 6 enthält ein Einlassventil 5 saun Ansaugen von Kraftstoffluftgemisch und ein (hier nicht dargestelltes) Auslassventil«,

Im oberen Bereich ist an der Hauptbrennkammer 6 eine Ausnehmung 7 ausgebildet, in die eine Auskleidung 8 mit Preßsitz eingepasst ist« Die Auskleidung 8 enthält eine zweite Brennkammer 9» nachfolgend Hilfsbrennkammer genannt, und einen Kanal 10, der die Hauptbrennkammer 6 mit der Hilfsbrennkammer 9 verbindet«, Die Auskleidung 8 besteht vorzugsweise aus rostfreiem Stahl hoher Hitzebeständigkeit« Alternativ können die Hilfsbrennkammer 9 und der Kanal 10 auch direkt im Zylinderkopf k ausgebildet sein. Die Auskleidung 8 ist nicht unbedingt erforderlich. Im Zylinderkopf k ist eine Bohrung 11 vorgesehen, die Auskleidung 8 weist einen Durchbruch 11' auf. In die Bohrung 11 ist eine Zündkerze 12 eingeschraubt, deren Elektroden 12a und 12a¹ sich, in den Durchbruch 11' der Auskleidung 8 erstrecken· Die geerdete Elektrode 12a ragt vorzugsweise in den Kanal 10 hinein. Die Auskleidung 8 ist mit einem Vorsprung, einer Erhöhung od.dgl. 13 ausgebildet, die den brennenden Gasstrom, der sich von der Hilfsbrennkammer 9 in die Hauptbrennkammer 6 ergiesst, von den Elektroden der Zündkerze 12 ablenkt, wie nachfolgend noch im einzelnen erläutert wird.

Der Vorsprung 13 an der Auskleidung 8 ist auf der der Hilfsbrennkammer 9 zugewandten Seite der Zündkerze 12, d_oh. rechts der Elektrode 12a¹ in Pig. 1 angeordnet, vorzugsweise in unmittelbarer Nachbarschaft dieser Elektrode, damit die vorerwähnte Wirkung so gross wie möglich ist. Die Abmessungen

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des Vorsprungs 13» speziell seine Höhe, sind so gewählt, dass die brennenden Gase nicht direkt an den Elektroden 12a und 12a¹ entlangstreichen. Sofern die Auskleidung 8 fehlt und die Hilfsverbrennungskammer direkt im Zylinderkopf k ausgebildet ist, kann der Vorsprung gleichfalls direkt durch Stehenlassen eines entsprechenden Teils am Zylinderkopf 4 beim Giessen ausgebildet werden.

Der Betriebsablauf bei dieser ersten Ausführungsform der Erfindung vollzieht sich wie folgt.

Das in die Hauptbrennkammer 6 durch das Einlassventil 5 hindurch angesaugte magere Gemisch wird durch den Kanal 10 hindurch während der Aufwärtsbewegung des Kolbens 3 im Verdichtungstakt in die Hilfsbrennkammer 9 hineingedrückt. Beim Einströmen in die Hilfsbrennkammer 9 streicht das Gasgemisch an den Elektroden, speziell der Elektrode 12a vorbei, wie in Fig. 2 durch die Pfeile dargestellt. Etwa in der Umgebung der Elektroden noch vorhandene Gasreste vom vorangegangenen Verbrennungsvorgang werden hierdurch ins Innere der Hilfsbrennkammer 9 hineingedrückt _f die Umgebung der Kerzenelektroden wird von solchen Gasresten freigespült_β Das magere Gemisch im Kanal 10 kann deshalb sicher durch einen Funkenüberschlag zwischen den Elektroden 12a und 12a* gezündet werden, da in der Umgebung der Kerzenelektroden keinerlei Hestgasante11e mehr vorhanden sind.

Nach der Zündung pflanzt sich die Flamme in der Hilfsbrennkammer 9 mit einem kleinen Volumen fort infolge eines geringen Gasflusses von der Hauptbrennkammer in die Hilf sbrennkammer _o Die Verbrennung findet daher zunächst in der Hilfsbrennkammer statt. Sodann strömen die so verbrannten Gase durch den Kanal 10 in die Hauptbrennkammer 6 und zünden dort das darin enthaltene unverbrannte magere Gasgemisch. Die aus dem Kanal 10

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in die Hauptbrennkammer sich ergiessende Gasströmung hat eine extrem hohe Geschwindigkeit, Der Anteil dieser Gasströmung, der von dem Vorsprung 13 abgelenkt wird, fliesst auf geradem Wege in die Hauptbrennkammer 6 hinein, wie durch die Pfeile in Pig, 3 angedeutet ist, so dass sie in keinen wesentlichen Kontakt mit der Elektrode 12a kommen können. Die Elektroden 12a und 12a¹ sind daher nicht direkt den hohen Geschwindigkeiten und Temperaturen der brennenden oder verbrannten Gase ausgesetzt, womit die eingangs genannten Schwierigkeiten, wie Frühzündungen und Kerzenbeschädigungen durch Überhitzung ausgeschaltet sind.

Die Figuren h bis 6 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung«, Dieses unterscheidet sich vom ersten dadurch, dass der Kanal 20, der die Hauptbrennkammer 6 mit der Hilfsbrennkammer 9 verbindet ₉ aus zwei Zweigen 20a und 20b besteht, die miteinander verbunden sind. Der der Hauptbrennkammer 6 zugekehrte Zweig 20a schliesst dabei mit dem der Hilfsbrennkammer 9 zugekehrten Zweig 20b einen Winkel ein. Die Elektroden 12a und 12a¹ sind in einer Verlängerung des Zweiges 20a angeordnet und ragen nicht in den Zweig 20b hinein.

Im Betrieb spielen sich im wesentlichen die gleichen Vorgänge ab, wie beim ersten Ausführungebeispiel· Wenn das magere Gemisch aus der Hauptbrennkammer 6 durch die Kanalzweige 20a und 20b in die Hilfsbrennkammer 9 gepresst wird, dann prallt es auf die Elektrode 12a in der Fortsetzung des Kanalzweigs 20a und spült die dort etwa vorhandenen Restgasanteile weg, bevor es, wie Fig, 5 zeigt, in die Hilfsbrennkammer 9 einströmt. Die Elektrode 12a ist in der Fortsetzung des Kanalzweigs 20a vorzugsweise so nahe wie möglich an dem anderen Kanalzweig 20b angeordnet, Jedoch so, dass sie nicht direkt

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den heissen Gasen ausgesetzt ist, die aus der Hilfsbrennkammer 9 in die Hauptbrennkammer 6 strömen,,

Wenn die verbrennenden Gase aus der Hilfsbrennkammer 9 mit hoher Geschwindigkeit in die Hauptbrennkammer 6 strömen, können sie nicht auf die Elektroden 12a und 12a¹ auftreffen, da diese nicht im Kanalzweig 20b angeordnet sind. Dies geht aus Figo 6 deutlich hervor· Der Winkel zwischen den Zweigen 20a und 20b ist in geeigneter Weise nach solchen Faktoren ausgewählt, wie beispielsweise dem Volumenverhältnis von Hauptbrennkammer 6 zu Hilfsbrennkammer 9 und der gegenseitigen Lage beider Brennkammern·

Fig· 7 zeigt eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher die Hauptbrennkammer 6 und die Hilfsbrennkammer 9 durch zwei voneinander getrennte Kanäle 31 und 32 miteinander verbunden sind« Der Kanal 31 ist auf seiner Einlasseite mit einem Einwegeventil 33 versehen, das einen Gasfluss nur aus der Hauptbrennkammer 6 in die Hilfsbrennkammer 9 zulässt, wie durch den Pfeil P dargestellt ist_o Der Kanal 31 ist somit ein Einlasskanal« Der andere Kanal 32, ein Auslasskanal, ist auf seiner Auslaßseite ebenfalls mit einem Einwegeventil 3h versehen_s das einen Gasfluss nur aus der Hilfsbrennkammer 9 in die Hauptbrennkammer 6 zulässt, wie durch den Pfeil Q dargestellt ist·

Die Elektroden 12a und 12a* der Zündkerze 12 sind im Einlasskanal 31 angeordnete Die beiden Richtungsventile 33 und 3k bilden vorzugsweise eine integrale Einheit und sind an der Auskleidung 8 in geeigneter Weise befestigt, zum Beispiel durch einen Niet 35ο Das Einlassventil 33 wird vorzugsweise von einem Pfeil 8a der Auskleidung 8 unterstützt, wie die Zeichnung zeigt, damit es nicht unter der Wirkung der in der

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Hilfsbreimkammer 9 brennenden Gase verbogen oder zerstört werden kann« Während des Verdichtungstaktes wird das magere Gemisch aus der Hauptbrennkammer 6 ausschliesslich durch den Einlasskanal 31 in die Hilfsbrennkammer 9 gedrückt und spült dabei die Restgase aus der Umgebung der Elektroden 12a und 12a¹ fort₀ Zur gleichen Zeit ist das Auslassventil 34 geschlossen«,

Die in der Hilfsbrennkammer 9 verbrennenden Gase strömen ausschliesslich durch den Auslasskanal 32 in die Hauptbrennkammer 6. Die Elektroden 12a und 12a¹ der Zündkerze 12 sind daher keiner heissen Gasströmung ausgesetzt· Das Einlassventil 33 ist dabei selbstverständlich geschlossen.

Es sei hervorgehoben, dass beim dritten Ausführungsbeispiel der Einlasskanal 31 so geformt sein kann, dass das magere Gemisch, das durch ihn hindurchfliesst, optimale Zündbedingungen auffindet» Der Auslasskanal 32 kann so geformt sein, dass die Ausströmgeschwindigkeit der brennenden Gase optimale Verbrennungsbedingungen in der Hauptbrennkammer 6 vorfinden» Beide Bedingungen können zugleich erfüllt werden, da der Einlasskanal 31t i-ⁿ welchem die Elektroden 12a und 12a¹ angeordnet sind, und der Auslasskanal 32 voneinander unabhängig sind,

Die vorliegende Erfindung wurde am Beispiel der Verwendung eines gleichförmigen Kraftstoffluftgemischs erläutert. Es sei jedoch betont, dass die Erfindung wirksam auch bei solchen Motoren angewendet werden kann, bei denen eine geschichtete Verbrennung stattfindet»

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Claims

Ansprüche

1. Verbrennungsmotor mit einer Hauptbrennkammer und einer ^x- mittels eines Kanals mit dieser verbundenen Hilfsbrenn-

kammer und einer Zündkerze, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (i2a,12a·) der Zündkerze (12) in oder nahe dem Kanal (1O;2O;31) derart angeordnet sind, dass sie vom aus der Haupt brennkammer (6) in die Hilfsbrennkammer (9) strömenden Frischgasgemisch umspült sind, und dass Mittel (i3?20a,20b;33) zum Schutz der Elektroden (12a,12a¹) gegen das Umspülen durch die aus der Hilfsbrennkammer (9) in die Hauptbrennkammer (6) strömenden brennenden Gase vorgesehen sind·

2, Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (12a,12a¹) in dem Kanal (1O) angeordnet sind, und dass eine Ablenkeinrichtung (13) vorgesehen ist, die die Elektroden (I2a,12a·) gegen die brennende Gasströmung abschirmt·

3· Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkeinrichtung ein Vorsprung (13) an der Wand des Kanals (1O) auf der der Hilfsbrennkammer (9) zugewandten Seite der Zündkerze (12) ist.

k* Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (20) aus zwei gegeneinander abgewinkelten Zweigen (20a,20b) besteht und die Elektroden (I2a,12a·) in einer Verlängerung des zur Hauptbrennkammer (6) führenden Zweiges (20a) abgeschirmt vom zur Hilfsbrennkammer (9) führenden Zweig (20b) angeordnet sind·

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5· Verbrennungsmotor nach Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei die Hauptbrennkammer (6) mit der
Hilfsbrennkammer (9) verbindende, getrennte Kanäle (31t32) vorgesehen sind, von denen der eine ein Einströmkanal (31) mit einer Einlassvorrichtung (33) ist und die Elektroden
(12a,12a¹) enthält und der andere ein Ausätrörakanal (32)
mit einer Auslassvorrichtung (3*0 ist.

6, Verbrennungsmotor nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass Einlassvorrichtung und Auslassvorrichtung Richtungsventile (33 bzw. 3k) sind.

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