DE2659605A1

DE2659605A1 - Verbrennungsmotor mit hilfsbrennkammer und abgasrezirkulierung

Info

Publication number: DE2659605A1
Application number: DE19762659605
Authority: DE
Inventors: Takashi Kato; Norihiko Nakamura; Masaaki Noguchi; Shougo Sanda
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1976-10-01
Filing date: 1976-12-30
Publication date: 1978-04-06
Also published as: JPS5343113A; US4098246A

Description

Verbrennungsmotor mit Hilfsbrennkammer und Abgasrezirkulierung

Als ein Verfahren zum Herabsetzen des Anteils giftiger NO -Komponenten in den Abgasen eines Verbrennungsmotors ist es bekannt, das Abgas in das Einlaßsystem des Motors zu rezirkulieren« Um den Schadstoffanteil in den Abgasen wirksam zu unterdrücken, ist es erwünscht, eine möglichst große Menge des Abgases in das Ansaugsystem rückzuleiten_o Xn diesem Falle ist jedoch, da das Abgas mit dem frisch angesaugten Luft-Kraftstoffgemisch in der Brennkammer nicht gleichmäßig durchmischt wird, die Verbrennung instabil₉ was Probleme hinsichtlich der Betriebseigenschaften des Motors aufwirft und letztlich zu einem Ansteigen der schädlichen Kohlenwasserstoff-Komponenten im Abgas führt.

Um die Betriebseigenschaften, d.h. den Wirkungsgrad des Motors zu vergrößern, hat man ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem ein fettes Luft-Kraftstoffgemisch verwendet wird« Dieses Verfahren ist jedoch insofern nachteilig, als sich dadurch der Kraftstoffverbrauch «rhöht und, speziell wenn der Motor mit einem katalytischen Konverter zum Reinigen der Abgase ausgerüstet ist, dies zu einer Temperaturerhöhung im Katalysator führt, was dessen Lebensdauer ganz erheblich herabsetzt«

Als ein Verfahren, eine stabile Verbrennung ohne Ansteigen des Kraftstoffverbrauchs zu erzielen, ist auch vorgeschlagen worden, mehrere Zündkerzen in der Brennkammer anzuordnen und das Gemisch gleichzeitig an mehreren Stellen in der Brennkammer zu zünden, um die Verbrennungszeit abzukürzen. Diese Verfahrensweise hat jedoch den Nachteil, daß sie eine relativ komplizierte Konstruktion verlangt, wodurch die Herstellungskosten des Motors vergrößert werden«

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Es ist weiterhin zur Erzielung einer stabilen Verbrennung ohne Vergrößerung des Kraftstoffverbrauchs ein Verbrennungsmotor vorgeschlagen worden, der neben der Hauptbrennkammer eine Hilfsbrennkammer aufweist_β Bei diesem Motor wird ein Luft-Kraft st off gemisch mit einem etwa stöchiometrischen Luft-Kraftstoff verhältnis und einem großen Anteil darin enthaltener rezirkulierter Abgase oder ein mageres Luft-Kraftstoffgemisch, das einen großen Anteil rezirkulierter Abgase enthält, in die Hauptbrennkammer zum Ansaugtakt eingeleitete Sodann wird das Gemisch während des Verdichtungstaktes in die Hilfsbrennkammer gedrückte Anschließend wird das in der Hilf sbrennkammer vor·· handene Gemisch gezündet und das in der Hauptbrennkammer vorhandene Gemisch durch einen Flammstrahl gezündet, der sich aus der Hilfsbrennkammer in die Hauptbrennkammer ergießt* Bei einem Verbrennungsmotor dieses Typs vollzieht sich in der Hauptbrennkammer eine turbulente Verbrennung aufgrund des Mischeffekts im Luft-Kraftstoffgemisch und rezirkulierten Abgas, der durch den Flatomstrahl hervorgerufen wird« Man erhält hierdurch eine stabilere Verbrennung als in einem Motor ohne Hilfsbrennkammer» Bei der Mehrzahl der bekannten Motoren mit Hilfsbrennkammer ist jedoch nur eine einzige Flammstrahl-Einlaßöffnung, d.h., nur ein einziger Verbindungskanal zwischen der Haupt- und der Hilfsbrennkammer vorhanden und dieser Kanal mündet in die Mitte der Hauptbrennkammer, Hierdurch wird zwar eine gute Verbrennung im Mittenbereich der Hauptbrennkammer erreicht₉ den der Flammstrahl erreichen kann, da jedoch ein großer Anteil von rezirkulierten Abgasen im Luft-Kraftstoffgemisch enthalten ist, ist die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Flamme nur gering« Aus diesem Grunde kann in den Randbereichen der Hauptbrennkammer keine gute Verbrennung stattfinden, weil diese Bareiche vom Flammet rahl nicht erreicht werden» Aus diesem Grunde weist dieser Motor den Nachteil auf, daß der Anteil schädlicher Kohlenwasserstoff-Komponenten im Abgas vergrößert ist« Auoh hat sich heraus-

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gestellt, daß die Stabilität der Verbrennung weiter verbessert werden sollte«

Um einen Flammetrahl über den gesamten Querschnitt der Hauptbrennkammer zu ergießen, könnte man eine Mehrzahl von Verbindungskanälen vorsehen«» Venn man jedoch zu diesem Mittel greift, dann ist die Strahlwirkung der Flamme sehr schwach, wodurch wiederum die Verbrennung instabil wird« Wenn man eine Mehrzahl von Verbindungskanälen vorsieht, dann ergibt sich ausserdem in der Hilfsbrennkammer eine Turbulenz bei hoher Motordrehzahl, wenn die Verbindungskanäle so angeordnet sind, daß die durch einen der Kanäle in die Hilfebrennkammer einfließenden Gase in kräftige Berührung mit einem Gasstrom kommen, der durch einen anderen Verbindungekanal in die Hilfsbrennkammer einfließt« Hierduroh wird die Geschwindigkeit der einzelnen Strömungen reduziert und die bereits erwähnte Turbulenz hervorgerufen« Andererseits wird bei dieser Anordnung dann keine Turbulenz in der Hilfsbrennkammer hervorgerufen, wenn der Motor in niedriger Drehzahl läuft oder wenn die Zündung bei einem Kurbelwinkel nahe dem oberen Totpunkt stattfindet, weil dann die Geschwindigkeit der Gasströmungen in der Hilfsbrennkammer sehr gering ist« Als Folge davon kann in der Hilfsbrennkammer keine befriedigende Verbrennung stattfinden und es ergibt sich nur eine schwache Flammstrahlwirkung« Dies wieaaxrum hat zur Folge, daß die Verbrennung in der Hauptbrennkammer instabil wird und der Anteil schädlicher Kohlenwasserstoff-Komponenten im Abgas ansteigt«

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor mit einer Hilfsbrennkammer anzugeben, mit welchem es möglich ist, eine stabile Verbrennung in der Hauptbrennkammer bei gleichzeitiger Reduzierung der schädlichen Kohlenwasserstoff-Komponenten im Abgas zu erreichen«

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Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst« Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche·

Die Erfindung erreicht das erwähnte Ziel mit einer Mehrzahl von Verbindungskanälen, die so angeordnet sind, daß die in die Hilfsbrennkammer durch sie eingeführten Gasströmungen alle in einer Richtung zur Ausbildung eines kräftigen Wirbels in der Hilfsbrennkammer wirken, so daß sich ein starker und stabiler Flammstrahl ergeben kann, der sich in die Hauptbrennkammer ergießt»

Die Erfindung und ihre Vorteile sowie weitere Ausgestaltungen derselben sollen nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden« Es zeigent

Fig· 1 eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors mit Hilfsbrennkammer gemäß der -vorliegenden Erfindung;

Figo 2 einen senkrechten Schnitt durch den Motorblock in Fig., 1;

Fig· 3 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit zwischen dem Kurbelwinkel O und der Geschwindigkeit U des in den Verbindungskanälen fließenden Gemisches;

Fig· 4a bis 7 Schnitte durch verschiedene andere Ausführungsformen der Erfindung, und

Fig. 8 einen Schnitt längs der Linie VIII-VIII in Fig. 7.

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Fig«, 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors mit Hilfsbrennkammer, wobei mit 1 der Motorblock, mit 2 die Ansaugleitung, mit 3 die Abgasleitung, mit h der Vergaser, mit 5 die Drosselklappe des Vergasers k und mit 6 ein Luftfilter bezeichnet sind« Ein Abgasrezirkulierungssystem soll zunächst unter Bezugnahme auf Figo 1 näher erläutert werden.

Das Abgasrezirkulierungssystem umfaßt ein Rezirkulierungsventil 7 und ein Druckregelventil 8* Das Rezirkulierungsventil 7 besteht aus einer Unterdruckkammer 10 und einer unter atmosphärischem Druck stehenden Kammer 11, die durch eine Membran voneinander getrennt sind_e Ein eine Öffnung 16 öffnendes und verschließendes Ventil 12 ist mit der Membran 9 verbunden,, Zum Rezirkulierungsventil 7 gehört fernerhin eine Konstantdruckkammer 13· Diese Konstantdruckkammer 13 ist mit der Abgasleitung 3 über eine verengte Öffnung 14 und eine Rezirkulierungsleitung 15 verbunden und steht weiterhin über eine Rezirkulierungsleitung 17 und die schon erwähnte verengte Öffnung 16 mit der Ansaugleitung 2 in Verbindung, Der Öffnungsquerschnitt der verengten Öffnung 16 wird von dem Ventil 12 geregelt« Das Druckregelventil 8 umfaßt eine Druckregelkammer 19 und eine unter atmosphärischem Druck stehende Kammer 20, die durch eine Membran 18 voneinander getrennt sind«, Zum Ventil 8 gehört fernerhin eine Belüftungsleitung 21, die stationär an der unter atmosphärischem Druck stehenden Kammer 20 angeordnet ist und deren eines Ende mit einer Unterdruckleitung 23 verbunden ist, die die Unterdruckkammer 10 des Rezirkulierungsventils 7 »it einer Unterdrucköffnung 22 verbindet, die in die Ansaugleitung 2 an einer Stelle mündet, die stromabwärts der Drosselklappe 5 angeordnet ist« Das andere Ende der Belüftungsleitung 21 bildet eine Belüftungsdüse Zh aus, die gegenüber der Membran 18 angeordnet ist* Eine verengte Öffnung 25 ist in der Unterdruckleitung 23 «wischen der Unterdrucköffnung 22 und der Belüftungsleitung 21

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angeordnet« Die Druckregelkammer 19 des Druckregelventils 8 1st mit der Konstantdruckkammer 13 des Rezirkulierungsventils 7 verbundeno

Wenn der Druck des Abgases in der Konstantdruckkammer 13 leicht über den atmosphärischen Druck ansteigt, dann bewegt sich die Membran 18 des Druckregelventils 8 gegen die Kraft einer Druckfeder 6O nach oben, um die Belüftungsdüse 2k zu drosseln« Daher steigt das Unterdruckniveau in der Unterdruckkammer 10 an, wodurch sich das Ventil 12 nach oben bewegt und den Öffnungsquer schnitt an der verengten Öffnung 16 vergrößert« Als Folge davon sinkt der Druck des Abgases in der Konstantdruckkanuner abο Wenn der Druck im Abgas in der Konstantdruckkammer 13 leicht unter den atmosphärischen Druck absinkt, dann bewegt sich die Membran 18 des Druckregelventils 8 nach unten und vergrößert den Anteil der durch die Belüftungsdüse 2k strömenden Luft«, Das Unterdruckniveau in der Unterdruckkammer 10 nimmt daher ab, wodurch sich das Ventil 12 nach unten bewegt und den Öffnungsquerschnitt der verengten Öffnung 16 verringert. Als Folge davon nimmt der Druck des Abgases in der Konstantdruckkammer 13 zu« Durch Regelung des Drucks in der Konstantdruckkammer 13 in der vorerwähnten Weise wird der Druck des Abgases in der Konstantdruckkammer 13 stets auf einem Wert gehalten, der etwa dem atmosphärischen Druck entspricht«

Es sei angenommen, daß der Manometerdruck des Abgases in der Abgasleitung 3 gleich P und der Manometerdruck des Abgases in der Konstantdruckkammer 13 gleich P ist« Es sei weiterhin angenommen, daß die Flußgeschwindigkeit des Abgases, das in die Konstantdruckkammer 13 von der Abgasleitung 3 über die verengte Öffnung i4 gleich Q ist« Es besteht dann zwischen Q, P_ und P folgender Zusammenhangt

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Q ~ ^PE - ^po ·

Da P nahezu Null ist, kann man den oben genannten Zusammenhang wie folgt darstellen:

Q /ν P_E .

Da wiederum der Anteil der Luft Q , der in den Zylinder angesaugt wird, und der Manometerdruck P_ nach der Beziehung P-^^

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Q zusammenhängen, läßt sich das Verhältnis zwischen der Flußgeschwindigkeit des rezirkulierten Gases Q und der Menge der angesaugten Luft Q wie folgt ausdrücken:

SL

Der Anteil des in die Ansaugleitung 2 rezirkulierten Gases Q ist daher proportional der in den Zylinderraum angesaugten Luft Q . Bei dem Abgasrezirkulierungssystem nach Fig« 1 ist die Rezirkulierungsrate (das Verhältnis der rezirkulierten Abgasmenge zur in den Zylinder eingeführten Gemischmenge) stets auf einem konstanten Wert gehalten, wodurch sich eine effektive Reduzierung des Anteils schädlicher NO -Komponenten im Abgas ergibt♦

Der Aufbau des Motors soll nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig* 2 näher erläutert werden« Der Motor nach Fig. 2 umfaßt einen Zylinderblock 30, einen Kolben 32, der gleitend in dem im Zylinderblock 30 ausgebildeten Zylinder 31 beweglich ist, einen Zylinderkopf 3k _t der unter Zwischenlage einer Dichtung am Zylinderblock 30 befestigt ist, ein Einlaßventil 35, ein Auslaßventil (nicht dargestellt), eine Hauptbrennkammer 36 zwischen dar Innenwand 34a des Zylinderkopfs 3k und dem Boden 32a des Kolbens 32, sowie einen Hilfsbrennkammerbaustein 38,

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der mit Preßsitz in eine Bohrung 37 eingepaßt ist, die im Zylinderkopf 3k ausgebildet ist. In dem Baustein 38 sind eine Hilfsbronnkammer 39 und zwei Verbindungskanäle kO und 41 ausgebildet, welche die Hilfebrennkammer 39 mit der Hauptbrennkammer 36 verbinden« Bei der Ausführungeform nach Fig. 2 ist die Überschlagsstrecke der Zündkerze kZ im Verbindungskanal kO gelegen« Die Zündkerze k2 kann jedoch auch so angeordnet sein, daß ihre Überschlagsstrecke an einem anderen Platz in der Hilfsbrennkammer oder im anderen Verbindungskanal kl liegt«

Während des Einlaßtaktes wird ein Luft-Kraftstoffgemisch, das rezirkuliertes Abgas enthält« in die Hauptbrennkammer 36 über das Einlaßventil 35 eingelassen« Dieses Gemisch wird danach über die Verbindungskanäle kO und 41 während des Verdichtungstaktes in die Hilfsbrennkammer 39 eingedrückt« Die Verbindungskanäle kO und 41 sind so angeordnet₉ daß das in die Hilfsbrennkammer einströmende Gas darin eine Wirbelbewegung erzeugt, die mit dem Pfeil A bezeichnet ist« Dies bedeutet, daß die Verbindungskanäle kO und kl so angeordnet sind, daß das in die Hilfsbrennkammer 39 durch den Verbindungskanal kl einströmende Gemisch die Wirbelbewegung noch verstärkt, die in der Hilfsbrennkammer 39 durch das durch den Verbindungskanal kO strömende Gemisch hervorgerufen wird« Bei der Ausführungsform nach Fig« 2 ist der Verbindungskanal kl so angeordnet, daß das durch ihn in die Hilfsbrennkammer 39 strömende Gemisch längs der Innenwand 39a der Hilfsbrennkammer 39 strömt, die der Zündkerze k2 diametral gegenüberliegt« Der Verbindungskanal kO öffnet sich in die Hilfsbrennkammer 39 gegen jene Innenwand 39a, so daß das durch ihn in die Hilfsbrennkammer 39 strömende Gemisch in einen weichen Kontakt mit dieser Innenwand 39a tritt und dann in der Hilfsbrennkammer 39 «inen Wirbel ausbildet« In der Näh· der Überschlagsstrecke der Zündkerze kZ ist an der Innenwand der

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Hilfsbrennkammer 39 ein Wall 43 ausgebildet. Dieser Wall dient dazu, das Gemisch, das durch den Verbindungskanal 40 gegenüber der Zündkerze 42 längs der Innenwand 39a entlangströmt und den von diesem ausgebildeten Wirbel zu unterstützen und zu führen. Außerdem dient der Wall 43 dazu, Verbrennungsgase hoher Temperatur von einem direkten Kontakt mit den Elektroden der Zündkerze 42 fernzuhalten, wenn das Gemisch in der Hilfsbrennkammer 39 gezündet wird und sich als Flammstrahl in die Hauptbrennkammer 36 ergießt«

Die ungefähre Geschwindigkeit des während des Verdichtungstaktes in die Hilfsbrennkammer 39 einströmenden Gemisches läßt sich durch folgende Gleichung beschreiben:

U = U · 2 · -JL·

ρ C«F_t V »

worin U die Kolbengeschwindigkeit, C der Flußkoeffizient des Verbindungskanals, F, der Gesamtquerschnitt der Verbindungskanäle, V das Volumen der Hilfsbrennkammer, V das Gesamtvolumen

P *

aus Hilfsbrennkammer und Hauptbrennkammer bei einem gegebenen Kurbelwinkel während des Verdichtungstaktes und A der Querschnitt des Zylinders ist·

Fig· 3 zeigt ein Beispiel für den Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit U und dem Kurbelwinkel Θ. Wie man aus der soeben erwähnten Gleichung und Fig* 3 erkennt, ist die Geschwindigkeit XJ beachtlich verringert, wenn der Motor mit niedriger Drehzahl läuft, d«h« wenn die Geschwindigkeit U des Kolbens niedrig ist oder wenn der Kolben einen Kurbelwinkel nahe dem oberen Totpunkt erreicht. Selbst wenn jedoch die Geschwindigkeit U des durch die Verbindungskanäle 40 und 41 fließenden Gemisches niedrig ist, wird dennoch ein relativ starker Wirbel und eine kräftige Turbulenz in der Hilfsbrennkammer 39 durch die gewählten Lagen der

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Verbindungskanäle 4O und 41 erzeugte Nachdem der Kolben einen Kurbelwinkel nahe dem oberen Totpunkt erreicht₉ wo die Geschwindigkeit U des in den Verbindungskanälen 40 und 41 fließenden Gemisches beachtlich verringert ist, wirbelt das Gemisch in der Hilfsbrennkammer 39 weiter» Selbst wenn also die Zündung erst zu einem Zeitpunkt erfolgt, an welchem der Kolben einen Kurbelwinkel nahe dem oberen Totpunkt erreicht hat, und selbst wenn das Gemisch einen großen Anteil rezirkulierter Abgase enthält, kann es in der Hilfsbrennkammer 39 rascht verbrannt werden, wodurch ein starker Flammstrahl erzeugt wirdj der sich durch die Verbindungskanäle 40 und 41 in die Hauptbrennkammer 3*> ergießt.

Bei der Ausführungsform nach FIg₀ 2 ist die Überschlagsstrecke der Zündkerze 42 im Verbindungskanal 40 angeordnet« Bei dieser Anordnung ist eine extrem einfache Zündung möglich, da die Restabgase, die um die Überschlagsstrecke der Zündkerze 42 vom vorangegangenen Arbeitszyklus zurückgeblieben sind, von dem während des Verdichtungstaktes einströmenden Gemisch dort weggespült werden_e Die Zündwilligkeit könnte jedoch weiter verbessert werden, wenn man die Zündkerze 42 so anordnet, daß ihre Überschlagsstrecke mehr in der Hilfsbrennkammer 39 liegt«

Wie in Fig* 2 gezeigt 1st, werden Flammstrahlen in die Hauptbrennkammer 36 in Richtungen eingeleitet, die durch die Pfeile B und C dargestellt sind« Der Flammstrahl in Richtung B verursacht die Verbrennung des Gemisches in dem Bereich D, welcher durch eine gestrichelte Linie umgrenzt ist« Der Flammstrahl in Richtung des Pfeiles C bewirkt die Verbrennung des Gemisches im Bereich E, dessen Grenzen ebenfalls mit gestrichelten Linien dargestellt ist* Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Querschnitte der Verbindungekanäle 40 und 41 so gewählt, daß sie proportional den Volumina des Gemisches in den entsprechen«·

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den Bereichen D und £ sind, die von den sie erreichenden Flammstrahlen gezündet werden« Bei der Ausführungsform nach Fig« 2 ist das Volumen des in Richtung B zielenden Flammstrahles größer als das Volumen des Gases, das von dem in Richtung C zielenden Flammstrahls gezündet wird. Konsequenterweise hat daher der Verbindungskanal 40 einen größeren Querschnitt als der Verbindungskanal 4i, Durch Wahl der Querschnitte der Verbindungskanäle 40 und 41 in der vorerwähnten Weise wird eine gleichmäßige Flammstrahlwirkung über den gesamten Querschnitt der Hauptbrennkammer 36 erreicht« Selbst wenn das Luft-Kraftstoffgemisch nicht gleichmäßig mit den rezirkulierten Abgasanteilen in der Hauptbrennkammer 36 vermischt ist, wird dieses ungleichförmige Gemisch von den Flammstrahlen durcheinandergemischt und in Turbulenz gebracht« Man erhält hieraus eine turbulente Verbrennung der in der Hauptbrennkammer 36 vorhandenen Gase, wodurch die Verbrennung stabil und der Anteil schädlicher Kohlenwasserstoff-Komponenten in den Abgasen extrem verringert wird«

Bei einem Verbrennungsmotor mit einer Hilfsbrennkammer nach Fig« 2 ist die Temperatur im Bereich 38a des Hilfsbrennkammerbausteins 38 beachtlich hoch. Da im vorliegenden Falle der Hilfsbrennkammerbaustein 38 mit Preßsitz in den Zylinderkopf 34 eingepaßt ist« ist der thermische Widerstand zwischen der Außenwand des Hilfsbrennkammerbausteins 38 und dem Zylinderkopf 34 auf ein Mindestmaß herabgesetzt· Die Hitze im Teilbereich 38a des Hilfsbrennkammerbausteins 38 wird dadurch sehr effektiv auf den Zylinderkopf 34 abgeleitet, so daß keine Gefahr besteht, daß der Teilbereich 38a wegsohmelzen kann«

Die Figuren 4a bis 8 zeigen andere Ausführungsbeispiele der Erfindung« Xn Fig« 4a ist ein Verbindungekanal 45 so angeordnet, daß das in die Hilfsbrennkammer 39 eingeleitete Gemisch

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längs der Innenwand der Hilfsbrennkammer 39 an der der Zündkerze zugekehrten Seite einfließt· Ein Verbindungskanal 46 öffnet sich, in die Hilfsbrennkammer 39 in Richtung auf die gleiche Innenwand, an der die Zündkerze angeordnet ist« Da das Volumen des Gemisches in der Hauptbrennkammer 36, das von dem Flammstrahl, der durch den Verbindungskanal 45 fließt, größer ist als das Volumen, das durch den durch den Kanal 46 schießenden Flammstrahl gezündet wird, hat der Verbindungskanal 45 einen größeren Querschnitt als der Verbindungskanal 46. Bei der Ausführungsform nach Fig· 4a öffnet sich der Verbindungskanal 46 direkt in die Hilfsbrennkammer 39o Wie bei der Ausführungsform nach Fig· 4b dargestellt ist, kann man den gleiohen Effekt erreichen_p wenn der Verbindungskanal 46 so angeordnet ist, daß er näher bei der Zündkerze 42 in die Hilfsbrennkammer 39 mündet·

Bei der Aueführungsform nach Figo 5 sind die Verbindungskanäle 47 und 48 so angeordnet, daß das Volumen des Gemisches in der Hauptbrennkammer 36, das duroh den durch den Kanal 47 schießenden Flammstrahl gezündet wird, genauso groß ist wie das Volumen, das durch den durch den Kanal 48 schießenden Flammstrahl gezündet wird«, Die beiden Kanäle 47 und 48 haben daher den gleichen Querschnitt,

Bei der Ausführungsform nach Fig· 6 ist der Querschnitt des Verbindungskanals 49 größer als der des Verbindungskanals 50, da von dem durch den Kanal 49 schießenden Flammstrahl ein größerer Volumenanteil in der Hauptbrennkammer 36 erreicht wird als von dem durch den Kanal 50 fließenden Flammstrahl_o Bei dieser Ausführungsform ist die Überschlagsstrecke der Zündkerze 42 im Verbindungskanal 50 angeordnet« Da in diesem Falle der Flammstrahl, der durch den Verbindungekanal 50

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schießt, schwächer 1st als der durch den Kanal h$ schießende Strahl, besteht keine Gefahr₉ daß die Elektrode der Zündkerze kZ von dem Flammstrahl überhitzt wird. Da/susätzlich der Verbindungskanal 50 einen relativ schmalen Querschnitt hat, ist das durch ihn einfließende Gemisch einem relativ starken Luftwiderstand ausgesetzt« Selbst wenn der Motor mit hoher Drehzahl läuft, ist die Geschwindigkeit des in die Hilfsbrennkammer 39 über den Verbindungskanal 50 im Verdichtungstakt einfließenden Gemisches niedriger als die Strömungsgeschwindigkeit durch den Verbindungskanal 49 aufgrund des erwähnten Luftwiderstandes· Wenn die Geschwindigkeit des um die Überschlagsstrecke der Zündkerze fließenden Gemisches bei hoher Motordrehzahl außerordentlich hoch ist, dann kann bei dieser Ausführungsform der Zündfunke dennoch nicht ausgeblasen werden, da die durch den Kanal 50 fließende Strömung eine relativ niedrige Geschwindigkeit aufweist, so daß stets eine Zündung sichergestellt ist«

Bei der Ausführungsform nach den Figuren 7 und 8 ist der Hilfsbrennkammerbaustein 38 mit drei Verbindungekanälen 5I, 52 und 53 ausgestattet« Die Verbindungskanäle 52 und 53 sind so angeordnet, daß Jede der Gasströmungen, die durch sie in die Hilfsbrennkammer einfließen, den Wirbel verstärken, der in der Hilfsbrennkammer 39 von der durch den Kanal 5I fließenden Strömung erzeugt wird· Bei dieser Ausführungsform haben die Verbindungskanäle 51t 52 und 53 Querschnitte, die proportional den Volumina der Bereiche in der Hauptbrennkammer 36 sind, die von den entsprechenden, durch sie schießenden Flammstrahlen erreicht werden«

Der Hilfabrennkammerbauatein 38 kann auch mit mehr als drei Verbindungekanälen versehen sein. Um jedoch einen wirksamen Flammstrahl zu erhalten, soll der Bereich des Verhältnisses

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V /F. auf einen bestimmten Wert beschränkt bleiben« Wenn das p' * -

Verhältnis V /F. extrem klein ist, dann ist die Flammstrahl-P t

wirkung schwach, während bei einem großen Wert für V /F. die

P ^v Flammstrahlwirkung extrem groß wird, die Geschwindigkeit des Flammstrahls wird extrem hoch, wodurch letztlich die Flamme abreißen und sich selbst ausblasen kann. Es wurde daher gefunden, daß die beste Flammstrahlwirkung erreicht werden kann, wenn das Verhältnis V /F. im Bereich zwischen 3 cm und

P ^v
30 cm liegt.

Wenn die Anzahl der Verbindungskanäle vergrößert wird, muß dementsprechend der Querschnitt der einzelnen Kanäle verringert werden, weil der Gesamtquerschnitt der Verbindungskanäle das vorerwähnte Maß nicht überschreiten darf. Wenn jedoch der Querschnitt der einzelnen Kanäle sehr gering wird, dann werden die durch sie schießenden Flammen durch den nahen Wandkontakt stark abgekühlt. Wenn der Durchmesser eines Verbindungskanals kleiner als der "Quetsch"-Abstand wird, dann besteht die Gefahr, daß der Flammstrahl ausgelöscht wird. Auch besteht bei sehr engen Flammstrahlkanälen die Gefahr, daß sich in ihnen Verbrennungsrückstände, wie Kohle, ansetzt, wodurch sich der Querschnitt weiter verringert und schließlich der Motor betriebsuntüchtig wird, Es wurde daher gefunden, daß die vorerwähnten Gefahren vermieden werden können, wenn der Querschnitt jedes einzelnen Flammetrahlkanals nicht kleiner ist als 3,Ik mm . Aus den zuvor erwähnten Grenzen läßt sich die mögliche Anzahl der Verbindungskanäle festlegen«

Als Gemisch zum Betreiben eines Motors der vorerwähnten Art wird ein Luft-Kraftstoffgemisch von etwa stöchiometrischem Luft-Kraftstoffverhältnis verwendete Wenn jedoch gleichzeitig die Anteile von schädlichen Kohlenwasserstoff-, Xohlenmonoxid- und Stickoxid-Komponenten im Abgas verringert werden sollen,

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darm kann ein mageres Luft-Kraftstoffgemisch mit einem Luft-Kraftstoff verhältnis zwischen 18 und 20 verwendet werden. In Jedem Falle kann bei einem Verbrennungsmotor der vorerwähnten Art ein großer Anteil rezirkulierter Gase, d_eh. mehr als 10 $ in Bezug auf das in den Zylinder eingeführte Gemisch, rezirkuliert werden. Die Verwendung eines mageren Gemisches setzt zugleich vorteilhafterweise den Kraftstoffverbrauch herab.

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Claims

PATENTANWÄLTE

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D-8 MÜNCHEN 22 · WIDENMAYERSTRASSE 4Θ D-1 BERLIN-DAHLEM 33 · PODBIELSKIALLEE 68

BERLIN: DIPL.-INQ. R. MÜLLER-BÖRNER

MÜNCHEN: DIPL.-INQ. HANS-HEINRICH WEY DIPL.-ING. EKKEHARO KÖRNER

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TOYOTA JIDOSHA KOGYO KABUSHIKI KAISHA Aichi-ken / Japan

Verbrennungemotor mit Hilf»brennkammer und Abgasrezirkulierung

Ansprüche t

Verbrennungsmotor mit einem Ansaugsystem, einem Abgassystem und einem AbgasreziFkulierungssystem, wenigstens einem Zylinder am Zylinderblock und Zylinderkopf und einem im Zylinder gleitend geführten Kolben, gekennzeichnet durch, eine Hauptbrennkammer (36) im Zylinder (31) zwischen dem Zylinderkopf (3*0 und dem Kolben (32), wobei der Zylinderkopf (3^) eine Bohrung (37) aufweist, deren Innenwandungen eine Hilfsbrennkammer (39) ausbilden, einen ersten Verbindungskanal (ko) zwischen der Hauptbrennkammer (36) und der Hilfsbrennkammer (39), welcher in letztere tangential zu deren Innenwand mündet, um einen Wirbel eines einen rezirkulierten Abgasanteil enthaltenden brennbaren Gemisches zu erzeugen, einen zweiten Verbindungskanal (kl) zwischen der Hauptbrennkammer (36) und der Hilfsbrennkammer (39),

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MÜNCHEN: TELEFON (Ο8Θ) 336585 BERLIN; TELEFON (O 3O) S312O88

KABEL: PROPINDUS · TELEX OS24244 KABEL: PROPINDUS · TELEX O1 84OS7

welcher sich in letztere gegen jene Innenwand öffnet, an welcher der erste Verbindungskanal (40) tangential mündet, um den Wirbel zu verstärken, sowie eine Zündkerze (42), deren tiberschlagsstreoke in der Hilf»brennkammer (39) an einer Stelle angeordnet ist, an der Hilfsbrennkammer (39) und Verbindungskanäle (4o,4l) ineinander übergehen,,

2· Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der beiden Verbindungskanäle (40,4i) proportional dem entsprechenden Volumen des Gemisches in der Hauptbrennkammer (36) ist, das von den Flammstrahlen gezündet und verbrannt wird, welche sich durch die Verbindungskanäle (4O,4i) in die Hauptbrennkammer (36) ergießen·

3· Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung des ersten Verbindungskanals (4o) auf den Randbereich und die Öffnung des anderen Verbindungskanals (41 ) auf die Mitte der Hauptbrennkammer (36) gerichtet sind, und daß der Querschnitt des ersten Verbindungskanals (4o) kleiner als der des zweiten Verbindungskanals (41 ) ist,

4« Verbrennungsmotor naoh Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung des ersten Verbindungskanals (4o) auf die Mitte und die Öffnung des zweiten Verbindungskanals (41) auf den Randbereich der Hauptbrennkammer (3i>) gerichtet ist, und daß der Querschnitt des ersten Verbindungskanals (4θ) größer als der des zweiten Verbindungskanals (41 ) ist«

5« Verbrennungsmoter naoh Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte der Verbindungekanäle (4θ,4ΐ) gleich groß sind«

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6e Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein weiterer Verbindungekanal (53) zwischen der Hauptbrennkammer (36) und der Hilfebrennkammer (39) angeordnet ist, welcher sich in letztere gegen Jene Innenwand öffnet, an welcher der erste Verbindungskanal (51) tangential mündet«

7c Verbrennungsmotor nach Anspruch 3_f 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Überschlagsstreoke der Zündkerze (42) im ersten Verbindungskanal (40) angeordnet ist«

8ο Verbrennungsmotor nach Anspruch 3» 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Überschlagsstrecke der Zündkerze (42) im zweiten Verbindungskanal (41) angeordnet ist.

9c Verbrennungsmotor nach Anspruch 3 und 7» dadurch gekennzeichnet, daß an der Innenwand der Hilfsbrennkammer (39) in der Nähe der Überschlagsstrecke der Zündkerze (42) ein Wall (43) ausgebildet ist.

10. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Volumens der Hilfsbrennkammer (39) zum Gesamtquerschnitt der Verbindungskanäle (4O,41) im Bereich zwischen 3 und 20 cm liegt·

11« Verbrennungsmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt jedes Verbindungskanals größer als 3,14 mm² ist.

12* Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsbrennkammer (39) in einem Einsatz (38) ausgebildet ist, welcher in eine Bohrung (37) in» Zylinderkopf (34) mit Preßsitz eingesetzt ist.

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