DE2615709A1

DE2615709A1 - Mehrzylinder-verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE2615709A1
Application number: DE19762615709
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Iida
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1975-04-11
Filing date: 1976-04-09
Publication date: 1976-10-28
Also published as: GB1507274A; JPS51119423A; US4123902A

Description

PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER

H. KINKELDEY W. STOCKMAIR

DR-ING. ■ AeE(CALTECH)

K. SCHUMANN

DR RER NAT.· D(PL-PHYS.

P. H. JAKOB

Dl PL-INGL

G. BEZOLD

DR RER NAT· DIPL-CHEM

MÜNCHEN

•eft-w

MÜNCHEN 22

MAXIMILIANSTRASSE 43

P 10287 - 4-0/sg

Nissan Motor Company, Limited of Ko. 2,
Takara-machi, Kanagawa-ku, Yokohama City, Japan

Mehrzylinder-Verbrennungsmotor

Die Erfindung betrifft einen Mehrzylinder-Verbrennungsmotor und insbesondere einen Verbrennungsmotor mit einem thermischen Reaktor in seiner Abgasanlage.

Zur Verminderung des Gehalts an Abgasverunreinigungen, beispielsweise an Stickoxiden, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen, im Abgas von Kraftfahrzeugen, die von einem Verbrennungsmotor angetrieben werden, ist es bereits bekannt, einen Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotor mit einem Hauptbrennraum, der mit einem mageren Luft-

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Kraftstoff-Gemisch gespeist wird, und einem Nebenbrerinraum zu versehen, der mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch gespeist wird und in dem die Zündung des fetten Luft-Kraftstoff-Gemischs mittels einer Zündkerze erfolgt, wobei der Nebenbrennraum mit dem Hauptbrennraum über eine Düse bzw. einen Fackelkanal verbunden ist, durch den eine Zündflamme bzw. -fackel in den Hauptbrennraum schlagen kann, die dort die Verbrennung des mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch einleitet. Bei derartiger Durchführung der Verbrennung kann ein mageres Gemisch mit verhältnismäßig niedriger Verbrennungshöchsttemperatur verbrannt werden, wobei die Bildung von Stickoxiden unterdrückt wird und außerdem das aus der Verbrennung resultierende Abgas so reich an Sauerstoff ist, daß das Kohlenmonoxid und die Kohlenwasserstoffe im Abgas selbständig oxidieren können, so daß diese Oxidationsreaktion abläuft, wenn die Temperatur des Abgases hoch genug gehalten wird. Damit diese selbständige Oxidation des Kohlenmonoxids und der Kohlenwasserstoffe im Abgas möglich ist, umfaßt der Abgassammler des Verbrennungsmotors in einem zentralen Bereich des Abgassammlers eine thermische Reaktionskammer und thermisch isolierte Sammlerleitungen, die vom Motorkopf zur thermischen Reaktionskammer führen. Ein Nachteil eines solchen herkömmlichen Verbrennungsmotors besteht jedoch darin, daß der Temperaturgradient in den im Motorkopf ausgebildeten Abgaskanälen groß ist und daß dadurch die Reaktion in der thermischen Reaktionskammer verzögert oder verhindert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mehrzylinder-Verbrennungsmotor zu schaffen, bei dem der Wärmeübergang vom Abgas aus mehreren Auslaßventilen zum Motorkopf des Motors geringstmöglich ist.

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Ein weiteres -Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Mehr'zy lind er-Verbrennungsmotors, in dessen Motorkopf mehrere Abgaskanäle ausgebildet sind, durch die das Abgas mit möglichst geringem Wärmeverluft strömen kann.

Die genannte Aufgabe wird bei einem Mehrzylinder-Verbrennungsmotor erfindungsgemäß gelöst durch einen Motorblock mit mehreren Zylindern, einen auf- und abbewegbaren Kolben in jedem Zylinder, einen am Motorblock befestigten Motorkopf, der die Zylinder abschließt und über jedem Kolben einen Hauptbrennraum begrenzt, wobei im Motorkopf für jeden Hauptbrennraum ein zugeordneter Nebenbrennraum ausgebildet ist, der mit dem zugehörigen Hauptbrennraum über einen Fackelkanal verbunden ist, eine Einrichtung zur Versorgung der einzelnen Hauptbrennräume mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch, eine Einrichtung zur Versorgung der einzelnen Nebenbrennräume mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch, eine Zündeinrichtung zur Zündung des fetten Luft-Kraftstoff-Gemischs in jedem der Nebenbrennräume, mehrere Auslaßventile, deren Anzahl gleich der Anzahl der Zylinder ist und von denen jedes mit einem Hauptbrennraum in Verbindung steht und Abgas aus diesem auslassen kann, mehrere Auslaßkanäle im Motorkopf, deren Anzahl gleich der Hälfte der Anzahl der Zylinder ist und die jeweils eine Austrittsöffnung haben und jeweils von der Austrittsöffnung zu zwei nebeneinander angeordneten Auslaßventilen verlaufen, und in jedem Auslaßkanal eine darin eingebaute Kanalauskleidung.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen:

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Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf einen

erfindungsgemäßen Mehrzylinder-Verbrennungsmotor ;

Fig. 2 eine vergrößerte, ausschnittsweise Schnittdarstellung gemäß II-II in Fig. 1, die ein Ausführungsbeispiel für eine in einen Auslaßkanal eingebaute Kanalauskleidung zeigt;

Fig. 3 eine Schnittdarstellung gemäß III-III in Fig. 2;

Fig. 4 eine Fig. 2 ähnliche Darstellung, die eine zweite Ausfuhrungsform einer in einen Auslaßkanal eingebauten Kanalauskleidung zeigt; und

Fig. 5 eine schematische Schnittdarstellung gemäß V-V in Fig. 1.

Im folgenden wird ausführlicher auf die Zeichnungen eingegangen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile bezeichnen. Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen handelt es sich um Anwendungen der Erfindung auf einen Vierzylinder-Verbrennungsmotor, bei dem jedem Hauptbrennraum ein Nebenbrennraum zugeordnet ist, der mit dem Hauptbrennraum über eine Düse bzw. einen Fackelkanal verbunden ist. Der insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnete Motor umfaßt einen Motorblock 12, in dem übliche Kühlflüssxgkeitskanäle 14 und Zylinder 16 ausgebildet sind, in denen jeweils auf- und abschiebbar ein Kolben 18 sitzt, wobei diese Kolben

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mit einer nicht dargestellten Kurbelwelle verbunden sind. Oberhalb jedes Kolbens 18 befindet sich ein Hauptbrennraum 20. In einem Kopf 22 des Motors sind Nebenbrennräume 24 ausgebildet,von denen jeder mit einem Hauptbrennraum 20 über einen Fackelkanal 25 verbunden ist. Im Motorkopf 22 sind quer verlaufende Nebeneinlaßkanäle 26 ausgebildet, die jeweils über ein Nebeneinlaßventil 28 mit einem Nebenbrennraum 24 in Verbindung stehen. Ferner sind im Motorkopf 22 quer verlaufende Haupteinlaßkanäle 30 ausgebildet, die über Haupteinlaßventile 32 mit den Hauptbrennräumen 20 in Verbindung stehen. Schließlich sind im Motorkopf 22 Auslaßkanäle 34 ausgebildet, von denen jeder nach innen und unten bis in den Bereich von zwei Auslaßventilen 36 verläuft, wobei der eine Auslaßkanal in den Bereich der zwei Auslaßventile der Zylinder Nr. 1 und 2 und der andere in den Bereich der Auslaßventile der Zylinder Nr. 3 und 4 verläuft (siehe Fig. 1). Auf diese Weise sind die Auslaßkanäle mit den Hauptbrennräumen 20 verbunden. Wie Fig. 1 deutlich zeigt, sind die Auslaßventile 36 eines jeden Paares benachbarter Zylinder dicht beieinander angeordnet, so daß die Länge eines jeden Auslaßkanals 34 von einer Auslaßöffnung 34a bis zu einer Austrittsöffnung 34b möglichst gering ist. Da jeder Auslaßkanal 34 zu zwei benachbarten Auslaßventilen führt, ist die Menge des durch jeden Auslaßkanal 34 strömenden Abgases ungefähr doppelt so groß wie die Abgasmenge, die durch einen herkömmlichen Äuslaßkanal strömt, der zu lediglich einem Auslaßventil führt, so daß auf diese Weise jeder Auslaßkanal 34 auf verhältnismäßig hoher Temperatur gehalten wird und dadurch der Temperaturgradient in Strömungsrichtung von jeder Auslaßöffnung 34a zur Austrittsöffnung 34b gering ist. Der Temperaturverlust der Abgase an der Austrittsöffnung 34b ist daher gering.

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Zur weiteren Verminderung des Temperatürgradienten ist in den Auslaßkanal 34 eine Kanalauskleidung eingesetzt, die direkten Kontakt der Abgase mit der Innenwand 34c des Kanals 34 verhindert (siehe Fig. 2) .

Im folgenden wird auf Fig. 2 eingegangen. Darin ist eine ausschnittsweise Schnittdarstellung gemäß II-II in Fig. 1 des Motors vergrößert dargestellt. Eine Zündkerze 38 ragt in den Nebenbrennraum 24 und kann das fette Luft-Kraftstoff-Gemisch im Nebenbrennraum 24 zünden, so daß eine Zündflamme bzw. -fackel entsteht, die durch den Fackelkanal 25 in den Hauptbrennraum schlägt und dort die Verbrennung des mageren Luft-Kraftstoff-Gemischs einleitet. Die Kanalauskleidung 40 ist in den Auslaßkanal 34 eingebaut und hat eine Doppelwand bzw. zwei Wände 40a und 40b aus geeignetem Metall, beispielsweise aus dünnem, rostfreiem Blech. Diese Wände haben teilweise Abstand voneinander, so daß zwischen ihnen eine Luftschicht 40c besteht. Zahlreiche Abstandshalter 42 halten die äußere Metallwand 40b in Abstand von der Innenwand 34c, so daß zwischen der äußeren Metallwand und der Innenwand eine weitere Luftschicht 4Od besteht. Diese Luftschichten 40c und 4Od wirken isolierend. In der Kanalauskleidung 40 sind zwei öffnungen 4Oe ausgebildet, von denen lediglich eine in Fig. 2 dargestellt ist und durch die die Schäfte von zwei benachbarten Auslaßventilen 36 verlaufen. Der Rand jeder öffnung 4Oe ist geschlossen, so daß die Luftschicht 40c abgeschlossen ist. Zur Lagesicherung der Kanalauskleidung 40 in der in Fig. 2 gezeigten Weise weist die innere Metallwand 40a an ihrem inneren Ende einen nach außen weisenden Radialflansch 4Of auf, der in den Motorkopf eingebettet ist.

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Wenn der Motorkopf 22 gegossen wird, dient die Kanalauskleidung 40 als Kern zur Bildung des Auslaßkanals Die Luftschicht 4Od ergibt sich dann nach Entfernung von Formsand, der zuvor auf die Kanalauskleidung aufgebracht worden ist.

Bei der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsform sind die Abstandshalter 42 am Motorkopf angeformt, so daß sie aus demselben Material wie dieser bestehen. Die Abstandshalter können jedoch auch auf der Außenseite der äußeren■Metallwand 40b angeformt sein.

Da die äußere Metallwand 40b von zahlreichen Abstandshaltern 42 mit Abstand zur Innenwand 34c gehalten wird, sind die Wärmeverluste durch die Innenwand 34c äußerst gering. Ferner ist von Vorteil, daß kein Formsand in den Zwischenraum für die Luftschicht 40c eintreten kann, da dieser Raum abgeschlossen ist.

Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform stimmt weitgehend mit der ersten Ausführungsform überein, unterscheidet sich jedoch von dieser darin, daß die äußere Metallwand 40b der Kanalauskleidung 40 in Berührung mit der Innenwand 34c steht, so daß zwischen diesen kein Zwischenraum vorhanden ist und die bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel vorgesehene Luftschicht 4Od nicht vorhanden ist. Ein weiterer Unterschied besteht darin,· daß der Flansch 4Of bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform nicht erforderlich ist und daher weggelassen wurde.

Da jeder der im Motorkopf ausgebildeten Auslaßkanäle zu zwei benachbarten Auslaßventilen 36 führt und mit den Abgasen aus zwei benachbarten Zylindern gespeist wird und da jeder Auslaßkanal 34 mit einer Kanalauskleidung 40 versehen ist, die verhindert, daß die Abgase in

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Berührung mit der den Auslaßkanal· begrenzenden Wand treten, ist der Temperaturgradient in Strömungsrichtung jedes der Auslaßkanäl·e 34 bei erfindungsgemäßer Ausbildung kleinstmöglich.

Im folgenden wird auf Fig. 5 eingegangen, die einen Längsschnitt gemäß V-V in Fig. 1 durch die Ansaugverteiler- und Abgassammelanlage zeigt. Die Ansaugverteilerund Abgassammelanlage umfaßt einen Hauptansaugverteiler 44 mit einem Erwärmer 44a,einen Nebenansaugvertexler 46 mit einem Erwärmer 46a und einen selbsttragenden Abgassammler 48. Der Hauptansaugverteiler 44 und der Nebenansaugvertexler 46 sind über ihre Erwärmer 44a bzw. 46a an einem mittleren Bereich 48a des Abgassammlers 48 montiert und führen zum Motorkopf 22 und allen Haupteinlaßkanälen 30 bzw. Nebeneinlaßkanälen 26, so daß sie ein mageres Luft-Kraftstoff-Gemisch den Hauptbrennräumen 20 und ein fettes Luft-Kraftstoff-Gemisch den Nebenbrennräumen 24 zuführen können. Der Abgassammler 48 umfaßt Leitungen 48b, die vom zentralen Abschnitt 48a zum Motorkopf 22 und den im Motorkopf 22 ausgebildeten Auslaßkanälen 34 führen und die heißen Abgase aus den Austrittsöffnungen 34b der Auslaßkanäle 34 aufnehmen können.

Das Gehäuse des Abgassammlers 48 ist aus Gußeisen hergestellt. Um den Einbau einer inneren Auskleidung 50 und einer äußeren Auskleidung 52 in die Sammlerleitungen 48b und den zentralen Abschnitt bzw. die zentrale Kammer 48a des Abgassammlers zu erleichtern, ist das Gehäuse aus einem oberen Teil 48c und einem unteren Teil 48d zusammengesetzt, die mittels zahlreicher geeigneter Schrauben 48e miteinander verbunden sind. Das obere Teil 48c umfaßt eine fläche Wand 48f mit einer öffnung 48g

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und einer Ausnehmung 48h. Auf der flachen Wand 48f sitzt eine Dichtung und auf dieser sitzen die Erwärmer 44a und 46a, wobei sich der Boden des Erwärmers 44a über der öffnung 48g befindet und die Ausnehmung 48h den Boden des Erwärmers 46a bildet (siehe Fig. 5).

Die äußere Auskleidung 52, die vorzugsweise aus einem geeigneten Metall, beispielsweise rostfreiem dünnem Blech, besteht, begrenzt eine IsoIierkammer 52a und umfaßt eine Heizwand 52b, die gegenüber dem Boden des Erwärmers 44a und dem Boden der Ausnehmung 48h angeordnet ist, sowie mehrere von der Isolierkammer 52a nach außen ausgehende Rohrabschnitte 52c. Die Isolierkammer 52a ist in der zentralen Kammer 48a angeordnet, und die Rohrabschnitte 52c sind in den Sammlerleitungen 48b angeordnet.

Die innere Auskleidung 50, die vorzugsweise aus einem geeigneten Metall, beispielsweise aus rostfreiem dünnem Blech, besteht, begrenzt eine Reaktionskammer 50a innerhalb der Isolierkammer 52a und hat Abstand zur Wand !der Isolierkammer 52a, so daß zwischen der inneren und der äußeren Auskleidung ein Ringraum 50b besteht, der durch eine öffnung 50c in Verbindung mit der Reaktionskammer 50a und ferner in Verbindung mit einem Auslaß 54 steht, der die Verbindung zu einem Auspuffrohr herstellt. Von der Reaktionskammer 50a gehen Rohrabschnitte 5Od aus, von denen lediglich einer dargestellt ist und die durch die Rohrabschnitte 52c verlaufen. Diese Pohrabschnitte 5Od leiten die Abgase aus den Austrittsöffnungen 34b (siehe Fig. 2 oder 4) zur Reaktionskammer 50a.

Der Ringraum 50b sollte so ausgebildet und die öffnung 50c sowie der Auslaß 54 sollten bezüglich des Ring-

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rauraes 50b so angeordnet sein, daß die durch die öffnung 50c austretenden Abgase zur Heizwand 52b strömen und diese erwärmen und über die gesamte Außenseite der Reaktionskammer 50a strömen, bevor sie in den Auslaß . 54 einströmen, damit die Reaktionskammer 50a warmgehalten wird (siehe die ausgezogenen Strömungspfeile in Fig. 5).

Es ist zu beachten, daß sich die Öffnung 50c an einer Stelle der Reaktionskammer 50a befindet, die dem Bereich in ausreichender Entfernung gegenüberliegt, in dem sich der Auslaß 54 befindet, damit die Verweilzeit der Abgase hoch ist und dadurch die Oxidation der Kohlenwasserstoffe in den Abgasen gefördert wird.

Ferner ist zu beachten, daß die Heizwand 52b der Strömung der Abgase aus der öffnung 50c ausgesetzt ist und dicht bei und unmittelbar unterhalb der Erwärmer 44a und 46a angeordnet ist, damit eine wirksame Erwärmung der in den Erwärmern befindlichen Ansauggemische erfolgt und der Kraftstoff ausreichend verdampft wird.

Falls der Wärmeübergang zu den Erwärmern 44a und 46a erhöht werden muß, kann die flache Wand 52b mit nicht dargestellten öffnungen versehen sein, von denen die Abgase zum Boden des Erwärmers 44a und zum Boden der Ausnehmung 48h geleitet werden.

Die vorstehend beschriebene Konstruktion der Ansaugverteiler- und Abgassammelanlage führt zu einer besseren Verdampfung des Kraftstoffs der angesaugten Gemische und stellt zuverlässig sicher, daß jeweils eine Zündflamme bzw. -fackel erzeugt wird.

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Im Abgassammler 48 sind die innere Auskleidung 50 und die äußere Auskleidung 52 am unteren Teil 48d des Gehäuses mit Hilfe von Schrauben 56 und Muttern 58 so angebracht, daß ihre Schwerpunkte miteinander ausgerichtet sind, wodurch die Festigkeit des AbgasSammlers 48 erhöht wird.

Die vorstehende Beschreibung dürfte klargemacht haben, daß durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen dafür gesorgt ist, daß die von den Auslaßventilen 36 ausgelassenen Abgase in der Abgasanlage auf erhöhter Temperatur gehalten werden und daß die Verweilzeit der Abgase in der Abgasanlage höher ist. Dies hat zur Folge, daß die giftigen Bestandteile der Abgase im richtigen Ausmaß oxidiert werden, bevor sie aus der Abgasanlage austreten.

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfingung wurden in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor erläutert, bei dem jedem Hauptbrennraum ein Nebenbrennraum zugeordnet ist, die über eine Düse bzw. einen Fackelkanal miteinander verbunden sind und bei dem ein fettes Luft-Kraftstoff-Gemisch in jedem Nebenbrennraum von einer Zündkerze gezündet wird, so daß eine Zündflamme bzw. -fackel über den Fackelkanal in den Hauptbrennraum schlägt und dort die Verbrennung eines mageren Luft-Kraftstoff -Gemischs einleitet. Die Erfindung kann darüber hinaus auf alle Verbrennungsmotoren angewendet werden, bei denen die Verbrennung zu sauerstoffreichen Abgasen führt.

Patentansprüche:

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Claims

Pat en tansprüche

Mehrzylinder-Verbrennungsmotor, gekennzeichnet durch einen Motorblock (12) mit mehreren Zylindern (16), einen auf- und abbewegbaren Kolben (18) in jedem Zylinder, einen am Motorblock befestigten Motonkopf (22), der die Zylinder abschließt und über jedem Kolben einen Hauptbrennraum (20) begrenzt, wobei im Motorkopf für jeden Hauptbrennraum ein zugeordneter Nebenbrennraum (24) ausgebildet ist, der mit dem zugehörigen Hauptbrennraum über einen Fackelkanal (25) verbunden ist, eine Einrichtung (44) zur Versorgung der einzelnen Hauptbrennräume mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch, eine Einrichtung (46) zur Versorgung der einzelnen Nebenbrennräume mit einem fetten Luft-Kraftstoff -Gemisch, eine Zündeinrichtung (38) zur Zündung des fetten Luft-Kraftsto.ff-Gemische in jedem der Nebenbrennräume, mehrere Auslaßventile (36), deren Anzahl gleich der Anzahl der Zylinder ist und von denen jedes mit einem Hauptbrennraum in Verbindung steht und Abgas aus diesem auslassen kann, mehrere Auslaßkanäle (34) im Motorkopf, deren Anzahl gleich der Hälfte der Anzahl der Zylinder ist und die jeweils eine Austrittsöffnung (34b) haben und jeweils von der Austrittsöffnung zu zwei nebeneinander angeordneten Auslaßventilen verlaufen, und in jedem Auslaßkanal eine darin eingebaute Kanalauskleidung (40).

Mehrzylinder-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kanalauskleidung (40) zwei Metallwände (40a, 40b) umfaßt, die teilweise Abstand voneinander haben und zwischen sich eine Luftschicht (40c) einschließen.

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3. Mehrzylinder-Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennz eichn et, daß jede Kanalauskleidung (40) in den zugehörigen Auslaßkanal (34) in der Weise eingebaut ist, daß die äußere Metallwand (40b) der Kanalauskleidung von zahlreichen Abstandshaltern (42) in Abstand von der Innenwand (34c) des Auslaßkanals gehalten wird.

4. Mehrzylinder-Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kanalauskleidung (40) einen nach außen weisenden Flansch (4Of) umfaßt, der in den Motorkopf (22) eingebettet ist.

5. Mehrzylinder-Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennz eichnet, daß jede Kanalauskleidung (40) in den zugehörigen Auslaßkanal (34) in der Weise eingebaut ist, daß die äußere Metallwand (40b) der Kanalauskleidung in Berührung mit der Innenwand (34c) des Auslaßkanals steht, ohne daß zwischen der äußeren Metallwand und der Innenwand des Auslaßkanals ein Zwischenraum besteht.

6. Mehrzylinder-Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennz eichnet, daß die äußere Metallwand jeder Kanalauskleidung (40) einstückig mit der Innenwand des zugehörigen Auslaßkanals (34) ausgebildet ist.

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