DE2624128A1

DE2624128A1 - Hubkolben-brennkraftmaschine mit muldenkolben

Info

Publication number: DE2624128A1
Application number: DE19762624128
Authority: DE
Inventors: Kazuya Kunii
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1975-05-30
Filing date: 1976-05-28
Publication date: 1976-12-16
Also published as: JPS51141906A; GB1535868A; FR2312646A1; FR2312646B1

Description

TER MEER

PATENTANWÄLTE ?ß? A 1 9Ö

- MÜLLER - STEINMEISTER

D-8000 München 22 D-4800 Bielefeld

Triftstraße 4 Siekerwall 7

PG 23-76049
St/sc

28. Mai 1976

Nissan Motor Company, Limited No.2, Takara-machi, Kanagawa-ku Yokohama City, Japan

Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Muldenkolben

Die Erfindung betrifft eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Muldenkolben gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Zur spürbaren Senkung der ausgestoßenen Menge der Stickoxyde bei Hubkolben-Brennkraftmaschinen ist vorgeschlagen worden, einen Teil der Auspuffgase in die Brennkammern der Brennkraftmaschine zurückzuführen und somit die maximale Temperatur und den Druck der in den Brennkammern durchgeführten Verbrennungen zu senken. Weiterhin ist angeregt worden, einen erheblichen Teil der Auspuffgase in die Brennkammer zurückzuführen, um die ausgestoßene Menge der Stickoxyde weiter zu verringern. Eine Rückführung derart großer

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Mengen der Auspuffgase führt jedoch unvermeidlich zu einer Beeinträchtigung der Verbrennungsbedingungen in den Brennkammern und zu Fehlzündungen oder Zündausfällen des Luft-Brennstoff -Gemisches, das die rückgeführten Auspuffgase enthält, so daß der Brennstoffverbrauch der Maschine ungünstig beeinflusst wird. Die Erhöhung des Brennstoffverbrauchs wird weiterhin gefördert durch eine übermäßige Wärmemenge, die von der Brennkammer auf ein Kühlmittel übertragen wird, das die Brennkammer umströmt.

Die Erfindung ist daher darauf gerichtet, eine verbesserte Hubkolben-Brennkraftmaschine zu schaffen, die einen stabilen und gleichmäßigen Verbrennungsvorgang des Luft-Brennstoff-Gemisches in der Brennkammer gewährleistet, obwohl eine relativ große Menge Auspuffgase in die Brennkammer zurückgeführt wird, ohne daß der Brennstoffverbrauch der Maschine spürbar erhöht wird. Das Luft-Brennstoff-Gemisch, das eine relativ große Menge Auspuffgase enthält, soll zuverlässig gezündet werden, und der Brennstoffverbrauch der Maschine soll dadurch verringert werden, daß ein übermäßiger Wärmeübergang von der Brennkammer auf ein die Brennkammer umströmendes Kühlmittel verhindert wird. Die Zündung soll durch ein Mehrfach-Zündsystem oder eine Flammzündung erfolgen, und eine übermäßige übertragung der Verbrennungsr wärme auf das Kühlmittel soll verhindert werden, indem der größte Teil der Brennkammer in den Kolbenboden eines Kolbens verlegt wird.

Die Erfindung ist im einzelnen gekennzeichnet durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Hauptanspruchs.

Erfindungsgemäß umfasst eine Hubkolben-Brennkraftmaschine einen Zylinder in dem Zylinderblock der Brennkraftmaschine, einen Zylinderkopf, der das obere Ende des Zylinders verschließt, einen Kolben, der in dem Zylinder angeordnet ist und eine erste Aussparung oder Mulde in dem Kolbenboden zur Bildung einer Brennkammer zwischen dieser Mulde und dem Zylinderkopf aufweist, wobei die erste Mulde wenigstens 3/4

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des Volumens der Brennkammer einnimmt, eine Zufuhreinrichtung für Luft-Brennstoff-Gemisch zur Versorgung der Brennkammer, welches Gemisch durch Brennstoff und Ansaugluft erzeugt wird, und eine Einrichtung zum Rückführen eines Teiles der Auspuffgase der Brennkraftmaschine in den Strom der Ansaugluft, der in die Brennkammer eintritt, wobei diese Einrichtung derart steuerbar ist, daß die maximale Menge der rückgeführten Auspuffgase im Bereich von 5 bis 30 Volumen % der Ansaugluft liegt.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Fig.1 ist ein senkrechter Schnitt durch einen

Teil einer ersten bevorzugten Ausführungsform einer Hubkolben-Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig.2 ist eine schematische Draufsicht auf einen

Teil des Zylinderkopfs der Brennkraftmaschine der Fig.1;

Fig.3 ist ein senkrechter Schnitt ähnlich Fig.1, zeigt jedoch eine zweite bevorzugte Ausführungsform;

Fig.4 ist ein senkrechter Schnitt ähnlich Fig.1, zeigt jedoch eine dritte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.

In Fig.1 und 2 ist ein Teil einer ersten bevorzugten Ausführungsform einer Hubkolben-Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, Die allgemein mit der Bezugsziffer 10 gekennzeichnet ist, die Brennkraftmaschine 10 umfasst einen Zylinderblock 12, in dem ein Zylinder 14 ausgebildet ist. Das obere Ende des Zylinders 14 ist durch einen flachen zylinderkopf 16 verschlossen. Ein Kolben 18 ist hin- und hergehend in dem Zylinder 14 angeordnet. In üblicher Weise

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befindet sich eine Brennkammer 20 zwischen dem Zylinderkopf 16 und dem Kolbenboden des Kolbens 18 im oberen Totpunkt, der in der Zeichnung dargestellt ist. Der Kolbenboden des Kolbens 18 ist mit einer ersten Mulde 18a in der Form eines Kugelabschnitts versehen, und die Mulde 18a bildet den größeren Teil der Brennkammer 20.

Bekanntlich beträgt die Temperatur der aus Aluminium bestehenden Zylinderkopfwand angrenzend an die Brennkammer im allgemeinen etwa 110 bis 130⁰C bei wassergekühlten Brennkraftmaschinen, und der aus Aluminium bestehende Kolbenboden angrenzend an die Brennkammer weist eine Temperatur von etwa 170 bis 230⁰C auf, die somit um etwa 80⁰C über der Durchschnxttstemperatur der Zylinderkopfwand liegt. Daraus ergibt sich, daß die Temperatur innerhalb der Brennkammer auf einem höheren. Wert gehalten werden kann, wenn die Oberfläche des Zylinderkopfes _e die eine relativ niedrige Temperatur aufweist, verkleinert und die Oberfläche des Kolbenbodens, deren Temperatur relativ hoch liegt, vergrößert wird. Diese Temperaturerhöhung wird gefördert durch Verringerung des Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen der Brennkammer, wie es beispielsweise durch Mulden=- oder halbkugelförmige Ausbildung des Kolbenbcdens möglich ist. Daher verhindert der Aufbau von Zylinderkopf und Kolbenboden gemäß Fig.1 eine übermäßige übertragung von Verbrennungswärme auf das Kühlmittel der Brennkraftmaschine, das die Brennkammer umströmt. Dadurch wird der thermische Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine erhöht und damit der Kraftstoffverbrauch verringert wird.

Der Zylinderkopf 16 weist einen Einlaß 22 auf, der über ein Einlaßventil 23 mit der Brennkammer 20 in Verbindung steht. Ein Auslaß 24 ist über ein Auslaßventil 25 mit der Brennkammer 20 verbunden. Der Einlaß 22 steht, wie strichpunkiert angedeutet ist, mit einem Vergaser 26 oder einer anderen Zufuhrvorrichtung für Luft-Brennstoff-Gemisch in Verbindung, die die Brennkammer mit einem Luft-Brennstoff-Gemisch versorgt, das durch Mischen von Brennstoff und Ansaugluft hergestellt wird, die in die Brennkammer 20 eintritt. Der Ver-

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gaser 26 ist so eingestellt, daß er ein Luft-Brennstoff-Gemisch mit einem Luft-Brennstoff-Verhältnis im Bereich von 13:1 bis 16:1 zuführt, durch das eine stabile und gleichmäßige Verbrennung des Luft-Brennstoff-Gemisches in der Brennkammer 20 erreicht werden soll. Mit 28 ist eine Rückführungseinrichtung für Auspuffgas bezeichnet, die einen Teil des Auspuffgases, das durch den Auslaß 24 austritt, in den Strom der Ansaugluft zurückführt, die durch den Einlaß 22 eintritt. Die Rückführungseinrichtung 28 für Auspuffgas ist so eingerichtet, daß sie die maximale Menge der zurückgeführten Auspuffgase auf den Bereich von 5 bis 30 Volumen-% der Ansaugluft einstellt. Mit einem derart hohem Durchsatz von rückgeführten Auspuffgasen wird die maximale Verbrennungstemperatur beträchtlich gesenkt, so daß die Emission der Stickoxyde erheblich abnimmt.

In dem Zylinderkopf 16 sind zwei Zündkerzen 30a und 30b vorgesehen, die sich von gegenüberliegenden Seiten der Mittelachse Xc der Bohrung des Zylinders 14 in die Brennkammer 20 erstrecken und näher an dem Umfang der Brennkammer 20, als an der Mittelachse Xc des Zylinders 14 liegen. Es können mehr als zwei Zündkerzen in der Brennkammer 20 vorgesehen sein, wenn das Volumen der Brennkammer und der Durchsatz der rückgeführten Auspuffgase in Bezug auf denjenigen der Ansaugluft dies erfordern. Durch die Zündkerzen 30a und 30b werden zwei Flammen erzeugt und in Richtung des Mittekbereiches der Brennkammer 20 ausgedehnt, so daß die Verbrennung des Luft-Brennstoff-Gemisches in einer sehr kurzen Zeit zuverlässig beendet wird. Dadurch ergibt sich eine stabile und gleichmäßige Verbrennung des Luft-Brennstoff-Gemisches in der Brennkammer 20, obwohl ein hoher Auspuffgasdurchsatz in die Ansaugluft und damit in die Brennkammer 20 zurückgeführt wird, wie oben erwähnt wurde.

Bei der zuvor beschriebenen Maschinellanordnung wird die Menge der ausgestoßenen Stickoxyde erheblich verringert,

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und zugleich wird ein stabiler Lauf der Maschine beibehalten. Außerdem wird ein übermäßiger Wärmeübergang auf das Kühlmittel im wesentlichen ausgeschlossen, so daß der thermische Wirkungsgrad der Maschine verbessert und folglich der Brennstoffbedarf verringert wird.

Unter Bezugnahme auf Fig.1 ist zu bemerken, daß vorzugsweise der Krümmungsradius R der Mulde 18a im Kolbenboden im Bereich des 0,55 bis 0,75-fachen des Durchmessers D des Zylinders 14 liegt, so daß ein geeignetes Volumen in der Brennkammer 20 entsteht. In diesem Zusammenhang ist es weiterhin vorzuziehen, einen ringförmigen flachen Bereich 18b entlang dem Umfang des Kolbenboden auszubilden, so daß ein "Quetschbereich¹¹ zwischen dem Kolbenboden und dem Zylinderkopf 16 entsteht. Durch diesen Quetschbereich wird eine Turbulenz des Luft-Brennstoff-Gemisches in der Brennkammer 20 erzeugt, die die Verkürzung der Brenndauer des Luft-Brennstoff-Gemisches weiter fördert.

Bei der zuvor beschriebenen Maschine ist es wünschenswert, die Menge des ausgestoßenen Kohlenmonoxyds und der Kohlenwasserstoffe durch eine Einrichtung zur Oxydierung der unverbrannten Bestandteile der Auspuffgase, wie beispielsweise einen Reaktor oder einen oxydierenden katalytischen Konwerter zu senken. Diese Teile sind in der Zeichnung nicht gezeigt. Um einen Temperaturabfall in den Auspuffgasen zu verhindern und die Oxydationsreaktion in der Oxydierungseinrichtung zu fördern, ist es ebenfalls wünschenswert, einen Querstrom-Zylinderkopf zu verwenden, bei dem der Einlaß 22 auf der einen Seite des Zylinderkopfes 16 und der Auslaß 24 auf der entegegengesetzten Seite des Zylinderkopfes 16 vorgesehen ist, wie aus Fig.2 hervorgeht. Weiterhin ist ein nicht gezeigter Doppel-Auslaß zweckmäßig, bei dem zwei Auslässe nebeneinander liegender Brennkammern in dem Zylinderkopf zur Bildung eines Auslasses zusammengefügt sind. Diese Doppelauslässe gestatten es, die Anzahl der Einlasse der Oxydierungseinrichtung zu verringern, so daß der Aufbau der Oxydierungseinrichtung, wie etwa eines Reaktors, vereinfacht wird.

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Fig.3 veranschaulicht eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit einer Funkenzündung-Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung, die weitgehend der Ausführungsform gemäß Fig.1 entspricht, ausgenommen, daß der Zylinderkopf 16 mit einer zweiten Mulde 16a gegenüber der ersten Mulde 18a im Kolbenboden versehen ist. Experimente haben erwiesen, daß die erfindungsgemäß angestrebte Wirkung ebenfalls durch Begrenzung des Volumens der zweiten Mulde 16a auf weniger als 1/4 des Volumens der Brennkammer 20 begrenzt wird, die ihrerseits durch den Zylinderkopf und den Kolbenboden begrenzt ist.

Fig.4 veranschaulicht eine dritte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hubkolben-Brennkraftmaschine, die ähnlich derjenigen der Fig.1 ist, ausgenommen, daß der Zylinderkopf 16 mit einer Hilfbrennkammer 32 versehen ist, die durch einen Kanal 34 oder eine Flammendüse mit der Brennkammer 20 in Verbindung steht. Eine Zündkerze 30 durchdringt den Zylinderkopf 16 und erstreckt sich in die Hilfsbrennkammer 32. In dieser Hinsicht handelt es sich um eine Art von Flammzündungsmaschine.

Bei dieser Ausführungsform wird beim Kompressionshub ein Teil des Luft-Brennstoff-Gemisches aus der Brennkammer durch den Kanal 34 in die HiIfsbrennkammer 32 überführt. Sodann wird das Luft-Brennstoff-Gemisch in der Hilfsbrennkammer 32 durch die Zündkerze 30 gezündet, so daß eine Flamme oder Zündflamme entsteht, die durch den Kanal 34 in die Brennkammer 20 übergeht. Die an die Brennkammer überführte Flamme zündet das Luft-Brennstoff-Gemisch in der Brennkammer 20 zuverlässig, so daß eine stabile und gleichmäßige Verb rennung des Luft-Brennstoff-Gemisches in der Brennkammer 20 erreicht wird.

Eine derartige Flammzündungsmaschine arbeitet mit einem fetten Luft-Brennstoff-Gemisch und unterscheidet sich daher grundsätzlich von einer herkömmlichen Flammzündungs-Brennkraftmaschine, die mit einem mageren Luft-Brennstoff-

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Gemisch arbeitet. Daher wird erfindungsgemäß mit Hilfe der Flammzündung eine stabile und gleichmäßige Verbrennung des Luft-Brennstoff-Gemisches in der Brennkammer erreicht, obwohl beträchtliche Mengen der Auspuffgase mit der Ansaugluft in die Brennkammer zurückgeführt werden. Außerdem erfordert diese Flammzündungs-Brennkraftmaschine kein Hilfs-Einlaßventil für die Hilfsbrennkammer 32 und keinen Hilfsvergaser zur Versorgung der Hilfsbrennkammer 32, so daß die gesamte Kontruktion vereinfacht wird. Bei dieser Art der Maschine kann eine Anzahl von Flammdüsen 34 vorgesehen sein, so daß eine Anzahl von Flammen in verschiedenen Bereichen der Brennkammer entsteht und die selbe Verzögerung eintritt, die sich bei Verbrennungssystemen mit mehreren Zündkerzen ergeben. Folglich trägt dieses Zündungssystem zu einer weiteren Verbesserung einer stabilen und gleichmäßigen Verbrennung des Luft-Brennstoff-Gemisches in der Brennkammer bei.

Obwohl nur ein Zylinderkopf gezeigt und bei den Ausführungsformen der Fig.1, 3 und 4 beschrieben ist, läßt sich die Erfindung auch auf Mehr-Zylinder-Brennkraftmaschinen anwenden, bei denen jeder Zylinder und seine Zubehörteile in der zuvor beschriebenen Weise ausgebildet sind.

Erfindungsgemäß kann die Menge der abgegebenen Stickoxyde auf Grund relativ großer Mengen von Auspuffgasen, die in die Brennkammern der Maschine zurückgeführt werden, gesenkt werden, und eine Erhöhung des Brennstoffverbrauchs wird im wesentlichen durch Senkung der übertragung der Verbrennungswärme an das Kühlmittel verhindert, so daß die Maschine sparsam arbeitet.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Zylinder in einem Zylinderblock, einem Zylinderkopf, der das obere Ende des Zylinders abschließt, einem Kolben, der hin- und herbeweglich in dem Zylinder angeordnet ist und eine erste Aussparung oder Mulde im Kolbenboden zur Bildung einer Brennkammer zwischen dieser Mulde und dem Zylinderkopf aufweist und einer Einrichtung zum Zuführen eines Luft-Brennstoff-Gemisches zu der Brennkammer durch Mischung von Brennstoff und Ansaugluft, dadurch gekennzeichnet, daß die Mulde wenigstens 3/4 des Volumens der Brennkammer (20) einnimmt und daß eine Rückführungseinrichtung (28) zum Einleiten eines Teiles der Auspuffgase in den in die Brennkammer (20) eingeführten Ansaugluftstrom vorgesehen ist, welche Rückführungseinrichtung derart steuerbar ist, daß sie die maximale, rückgeführte Auspuffgasmenge auf 5 bis 30 Vol.-% der Ansaugluft einstellt.

Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch g ekennzeichnet, daß die Einrichtung (26) zur Zufuhr des Luft-Brennstoff-Gemisches derart steuerbar ist, daß das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches im Bereich von 13:1 bis 16:1 liegt.

Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mulde in dem Kolben (18) die Form eines Kugelabschnitts aufweist und konzentrisch zu der Bohrung des Zylinders (14) liegt.

Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch g ekennzeichnet, daß der Krümmungsradius (R) der Mulde im Bereich des 0,55- bis 0,75-fachen des Durchmessers des Zylinders (14) liegt.

5. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch we-

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nigstens zwei Zündkerzen (30a,30b) in dem Zylinderkopf (16), die sich in die Brennkammer (20) erstrecken.

6. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkopf (16) eine zweite Aussparung oder Mulde (Fig.3) gegenüber der ersten Mulde in dem Kolben (18) aufweist, und daß die zweite Aussparung weniger als 1/4 des Volumens der Brennkammer (20) einnimmt.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch g ekennzeichnet, daß die beiden Zündkerzen (30a,30b) gegenüberliegend in Bezug auf die Mittellinie der Bohrung des Zylinders (14) und näher am Umfang der Bohrung als an der Mittellinie des Zylinders angeordnet sind.

8. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennz eichnet, daß der Zylinderkopf (16) als Querstrom-Zylinderkopf ausgebildet ist, bei dem der Einlaß (22) auf einer Seite und der Auslaß (24) auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet ist.

9. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Oxydieren unverbrannter Bestandteile der Auspuffgase aus der Brennkammer.

10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch g ekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Oxydieren der Auspuffgase ein Reaktor ist, der stromabwärts mit der Brennkammer (20) verbunden ist.

11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch g ekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Oxydieren der Auspuffgase ein oxydierender, katalytischer Konverter ist, der sich stromabwärts der -r '-v-mitipr h&Ft\ n?G ti / η 7 7 Q

12. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Anzahl von Zylindern (14), die jeweils eine Brennkammer (20) aufweisen.

13. Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch g ekennzeichnet, daß zwei Auslässe (24) von zwei nebeneinanderliegenden Brennkammern in dem Zylinderkopf zur Bildung eines gemeinsamen Auslasses verbunden sind, der mit der Einrichtung zum Oxydieren der Auspuffgase in Verbindung steht.

14. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkopf (16) eine Hilfsbrennkammer (32) enthält, die mit der Brennkammer (20) zwischen dem Kolbenboden und dem Zylinderkopf in Verbindung steht.

15. Brennkraftmaschine nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine Zündkerze (30), die sich durch den Zylinderkopf (16) in die Hilfsbrennkammer (32) erstreckt.

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