DE2711681C2

DE2711681C2 - Fremdgezündete Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2711681C2
Application number: DE2711681A
Authority: DE
Inventors: Yoshio Toyota Aichi Yamakawa
Original assignee: Toyota Jidosha Kogyo KK
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1976-11-15
Filing date: 1977-03-17
Publication date: 1982-05-19
Also published as: JPS5949407B2; US4291655A; JPS5362010A; US4166436A; DE2711681A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine fremdgezündete Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Eine solche fremdgezündete Brennkraftmaschine ist bekannt (DD-PS 91 832, insbesondere die Ausführungsformen gemäß den Figuren 14 bis 23). Bei der bekannten Brennkraftmaschine wird die Frischladung so in den Zylinder eingeleitet, daß sie bereits vor Beginn des Verdichtungstaktes und während des Verdichtungstaktes einen Drall hat, d. h. eine Wirbelströmung um die Kolbenlängsachse ausführt. Die Kante zwischen der zumindest einen Ausnehmung und der übrigen Quetschfläche entfernt sich in Gegenrichtung zum Drehsinn der Wirbelströmung und bildet eine Aufprallfläche, die gegen Ende des Verdichtungstaktes, wenn aus dem Quetschbereich zwischen den Quetschflächen die Frischladung zum Hauptbrennraum verdrängt wird, den kraftstoffreichen Frischladungsteil von der äußeren Brennraumwand in Richtung zur Mitte und somit zur Zündkerze leiten soll.

Die bekannte Brennkraftmaschine soll es ermöglichen, ein verhältnismäßig mageres Luft-Kraftstoffgemisch zuverlässig zu zünden und stabil zu verbrennen. Die Verwendung eines mageren Luft-Kraftstoffgemisches wiederum dient der Verringerung des Schadstoffgehaltes im Abgas. Dem gleichen Zweck dient es auch, wenn mit Abgasrückführung gearbeitet wird, d. h. wenn die Frischladung aus Luft-Kraftstoffgemisch und zurückgeführtem Abgas besteht. Auch bei dieser Abgasrückführung besteht die Gefahr instabiler Verbrennung. Um dem vorzubeugen, ist es zweckmäßig, die Verbrennungsgeschwindigkeit zu erhöhen und dies wiederum durch kräfte Turbulenz sowie eine Wirbelströmung der Frischladung um die Kolbenlängsachse zu erzeugen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Brennkraftmaschine derart auszubilden, daß die Wirbelströmung um die Kolbenlängsachse ι ο möglichst kräftig ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Drehsinn der sich vom Umfang des Hauptbrennraumes ablösenden Kante mit dem Drehsinn der Wirbelströmung im Hauptbrennraum übereinstimmt Durch die anmeldungsgemäße Ausbildung wird erreicht, daß die von den Quetschflächen verdrängte Frischladung bereits beim Einströmen in die zumindest eine Ausnehmung eine Geschwindigkeitskomponente in Richtung der erwünschten Wirbelströmung und keine Geschwindigkeitskomponente entgegen dieser Wirbelströmung hat, so daß die Strömungsenergie der aus dem Quetschbereich zwischen den Quetschflächen verdrängten Frischladung weitgehend zur Erzeugung der Wirbelströmung ausgenutzt wird. Bei der bekannten Brennkraftmaschine ist dies nicht der Fall, da wegen des Verlaufes der Kante zwischen der Ausnehmung und der übrigen Quetschfläche die über die Kante in die Ausnehmung strömende Frischladung eine Geschwindigkeitskomponente entgegen dem Drehsinn der gewünschten Wirbelströmung hat. Dies ist auch bei weiteren bekannten Brennkraftmaschinen der Fall. Bei einer aus der DE-PS 19 26 613 bekannten Brennkraftmaschine, die rinnenförmige Ausnehmungen in einer ringförmigen Quetschfläche des Kolbens aufweist, muß die über die seitlichen Kanten der Ausnehmung in diese eingeströmte Quetschströmung um 90° oder mehr umgelenkt werden, bevor sie durch die Ausnehmung in Richtung zum Hauptbrennraum strömen kann. Durch diese Umlenkung geht ein erheblicher Teil der Energie der Quetschströmung verloren. In die ebenfalls als Rinnen ausgebildeten Ausnehmungen einer aus der DE-OS 1 601 968 bekannten Brennkraftmaschine strömt die Quetschströmung überwiegend mit einer Geschwindigkeitskomponente entgegen dem Drehsinn der Wirbelströmung im Brennraum ein, so daß auch hier eine starke Umlenkung notwendig ist, die zu Strömungsenergieverlusten führt.

Obwohl die Quetschflächen am Kolbenbodenrand bzw. diesem gegenüber am Zylinderkopf hier als »ringförmig« bezeichnet werden, versteht es sich, daß sie mit Ausnehmungen versehen sein können, wobei sie dann einschließlich dieser Ausnehmungen in Draufsicht ringförmig sind.

In vorteilhafter Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die zumindest eine Ausnehmung an ihrer tiefsten Stelle in den Hauptbrennraumboden übergeht, so daß die durch die Quetschströmung unterstützte oder erzeugte Wirbelströmung auch die Frischladungsbereiche unmittelbar am Hauptbrenn-

f>o raumboden erfaßt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbei-

t>5 spiel einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine;

F ig. 2 eine Draufsicht auf den in Fig. 1 gezeigten Kolben;
F i g. 3 eine Unteransicht des Zylinderkopfes gemäß

IH-HI in Fig. 1;

Fig.4 eine Unteransicht des Zylinderkopfes einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels von F i g. 1;

F i g. 5 einen l-ängsschnitt gemäß V-V in F i g. 4;

Fig.6 einen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel;

F i g. 7 eine Unteransicht des Zyiinderkopfes gemäß VII-VII in F ig. 6; und

F i g. 8 einen Längsschnitt gemäß VIIl-VIII in F i g. 7.

Gemäß der Darstellung in Fig. 1 bezeichnet 1 einen ι ο Zylinderblock, 2 einen Kolben, der im Zylinderblock hin- und herbewegbar ist, 3 einen Zylinderkopf, der über eine Dichtung 4 an dem Zylinderblock 1 befestigt ist, 5 eine Einlaßöffnung, 6 ein Einlaßventil, 7 eine Auslaßöffnung und 8 ein Auslaßventil. Die Einlaßöffnung 5 ist beispielsweise mit einem Vergaser, der ein mageres Luft-Kraftstoffgemisch mit einem Luft-Kraftstoffverhältnis von 18 :1 bis 20:1 bildet, oder mit einem Vergaser verbunden, der ein Gemisch bildet, das etwa ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoffverhältnis hat Wenn der Vergaser verwendet wird, der ein Gemisch mit einem annähernd stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis bildet, weist die Brennkraftmaschine vorzugsweise eine Abgasrückführvorrichtung auf, die das Abgas vom Abgassystem wieder in das Einlaßsystern der Brennkraftmaschine zurückführt. Vorzugsweise wird eine relativ große Abgasmenge von mehr als 10% der in den Zylinder der Brennkraftmaschine eingeführten Menge des annähernd stöchiometrischen Luft-Kraftstoffgemisches zurückgeführt. Ein kreisförmiger Hauptbrennraum 10 ist im mittleren Bereich des oben liegenden Kolbenbodens 2a des Kolbens 2 ausgebildet Dieser Hauptbrennraum 10 ist Bestandteil des Brennraumes 9, der oben von einer Wand 3a des Zylinderkopfes 3 begrenzt wird. Eine ringförmige, im wesentlichen ebene Quetschfläche 11 ist am Rand des Kolbenbodens 2a des Kolbens 2 ausgebildet. Dem Kolbenboden 2a gegenüber liegt die ebene Wand 3a des Zylinderkopfes 3, deren der Quetschfläche 11 zugewandter Abschnitt ebenfalls eine ringförmige Quetschfläche bildet. Wenn der Kolben 2 seinen oberen Totpunkt erreicht, werden somit zwischen der ebenen Wand 3a des Zylinderkopfes 3 und der ringförmigen, ebenen Quetschfläche 11 des Kolbens 2 Quetschbereiche A erzeugt, deren Lage in Fig.2 schraffiert dargestellt ist. Zwei Ausnehmungen 12, die sich in Umfangsrichtung B (siehe Fig.2) des Kolbens 2 erstrecken, sind in der ringförmigen Quetschfläche 11 so ausgebildet, daß die Querschnittsfläche der Ausnehmungen 12 entlang der Umfangsrichtung B allmählich größer wird. Zusätzlich sind diese Ausnehmungen 12 so ausgebildet, daß die Bodenflächen 13 der Ausnehmungen 12 in Richtung zum Hauptbrennraum 10 nach unten geneigt sind und in den Hauptbrennraumboden 10a in einem Bereich Pübergehen, in dem die Querschnittsflächen der Ausnehmungen 12 ihren Maximalwert erreichen.

Während des Ansaugtaktes wird ein brennbares Gemisch, d. h. die Frischladung, von der Einlaßöffnung 5 in den Brennraum 9 eingeführt, der von der Wand 3a des Zylinderkopfes 3 und dem Kolbenboden 2a begrenzt wird. Dann wird während des Verdichtungstaktes das brennbare Gemisch im Brennraum 9 komprimiert, während sich der Kolben 2 nach oben bewegt Wenn der Kolben 2 eine Stellung in der Nähe seines oberen Totpunktes erreicht wird die Frischladung aus den Quetschbereichen A in den Hauptbrennraum 10 gedränkt, so daß eine Quetschströmung aus brennbarem Gemisch bewirkt wird. Da die Ausnehmungen 12 so ausgebildet sind, daß ihre Querschnittsflächen in Umfangsrichtung B allmählich größer werden, wird dabei die Quetschströmung, die eine Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung B aufweist in Richtung der Pfeile Cin Fig.2 hinausgeschoben. Wie vorstehend dargelegt ist gehen die Ausnehmungen 12 in den Hauptbrennraumboden 10a im Bereich P direkt über, in dem die Querschnittsfläche der Ausnehmungen 12 maximal ist Folglich wird eine durch ihren Drehsinn D dargestellte starke Wirbelströmung der Frischladung im gesamten Brennraum 9 erzeugt; das verwirbelte brennbare Gemisch wird dann durch eine Zündkerze 14 (siehe F i g. 3) gezündet.

Die Quetschströmung bewirkt gleichzeitig die Turbuienz und die Wirbelbewegung der Frischladung im Brennraum 9. Weil dadurch die Verbrennung stark turbulent ist, ist die Verbrennungsgeschwindigkeit erhöht und die Verbrennung stabilisiert Folglich kann sogar bei Verwendung eines mageren Luft-Kraftstoffgemisches eine stabile Verbrennung erreicht werden. Eine stabile Verbrennung wird auch dann erreicht wenn das brennbare Gemisch eine große Menge an zurückgeführtem Abgas enthält, da das zurückgeführte Abgas infolge der Quetschströmung mit dem Luft-Kraftstoffgemisch vollständig vermischt wird. Es ist somit möglich, zur Verringerung des Schadstoffgehaltes im Abgas mit einem mageren Luft-Kraftstoffgemisch oder mit zurückgeführtem Abgas zu arbeiten, ohne daß instabile Verbrennung auftritt.

Gemäß der Darstellung in F i g. 3 wird bevorzugt, daß die Zündkerze 14 im Randbereich der Wirbelströmung an einer Stelle angeordnet ist, die sich in der Nähe des Auslaßventils 8 und in bezug auf den Drehsinn D der Frischladung stromauf des Auslaßventiles 8 befindet.

Da das Auslaßventil 8 dem Abgas, das über das Auslaßventil 8 ausströmt, direkt ausgesetzt ist, wird die Temperatur des Auslaßventiles 8 größer als die Temperatur der Wand 3a des Zylinderkopfes 3. Insbesondere neigt die dem Brennraum 9 ausgesetzte Ventilfläche des Auslaßventiles 8 zur Ausbildung einer Heißstelle, die eine Frühzündung (Klopfen) hervorrufen kann. Da die Zündkerz2 14 gemäß der vorstehenden Beschreibung angebracht ist, erreicht die durch die Zündkerze 14 gezündete Frischladung unmittelbar die Ventilfläche des Auslaßventiles 8, wodurch das in der Nähe der Ventilfläche des Auslaßventiles 8 vorliegende brennbare Gemisch verbrannt wird; dadurch wird das Auftreten des Klopfens verhindert.

In den Fig.4 und 5 ist eine Abwandlung des Ausführungsbeispieles gemäß den Fig. 1 bis 3 dargestellt. Diese Abwandlung unterscheidet sich von dem in F i g. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch, daß ein mit dem Brennraum 9 über einen Verbindungskanal 15 verbundener Hilfsbrennraum 16 vorgesehen und die Funkenstrecke einer Zündkerze 17 im Verbindungskanal 15 angeordnet ist. Die Beschreibung der Ausbildung des oberen Kolbenbodens 2a des Kolbens 2 entfällt, da der in den F i g. 4 und 5 gezeigte Kolbenboden 2a die gleiche Ausbildung wie der in F i g. 1 gezeigte Kolbenboden 2a hat. Bei der in den Fig.4 und 5 gezeigten Brennkraftmaschine wird während des Verdichtungstaktes ein brennbares Gemisch aus dem B^rennraum 9 durch den Verbindungskanal 15 in den Hilfsbrennraum 16 gedrückt. Dann wird das in den Hilfsbrennraum 16 eingeführte brennbare Gemisch durch die Zündkerze 17 gezündet, wodurch ein brennender Strahl aus dem Verbindungskanal 15 in den

Brennraum 9 einschießt. Ähnlich der vorstehend beschriebenen Weise wird im Hauptbrennraum 10 eine Wirbelströmung der Frischladung erzeugt, und das verwirbelte brennbare Gemisch wird von dem brennenden Strahl gezündet. Vorzugsweise wird der brennende Strahl mit dem Drehsinn D des verwirbelten, brennbaren Gemisches im Randbereich der Wirbelströmung eingeführt. Der Verbindungskanal 15 mündet folglich bei dieser Abwandlung in den Brennraum 9 im Randbereich der Wirbelströmung. Der Verbindungskanal 15 ist so angeordnet, daß seine Achse mit der Oberfläche der Wand 3a des Zylinderkopfes 3 einen spitzen Winkel bildet.

In den Fig.6 bis 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt. Gemäß der Darstellung in Fig.6 besitzt der Kolben 2 einen ebenen oberen Kolbenboden 2a. Der Zylinderkopf 3 ist in seinem mittleren Bereich mit einer sphärischen inneren Wand 3a versehen, die einen sphärischen Hauptbrennraum 10 begrenzt; der Zylinderkopf weist am Rand der Wand 3a eine 20 ist.

ringförmige, im wesentlichen ebene Quetschfläche 18 auf. Wenn der Kolben 2 seinen Totpunkt erreicht, werden zwischen dem Kolbenboden 2a des Kolbens 2 und der ringförmigen Quetschfläche 18 am Zylinderkopf 3 Quetschbereiche E erzeugt, die in F i g. 7 schraffiert dargestellt sind. Zwei Ausnehmungen 19, die sich in Umfangsrichtung F (siehe Fig. 7) erstrecken, sind in der ringförmigen, ebenen Quetschfläche 18 am Rand der Wand 3a des Zylinderkopfes 3 ausgebildet In der gleichen Weise, wie es anhand der Fig.1 bis 3 beschrieben ist, sind die Ausnehmungen 19 so ausgebildet, daß ihre Querschnittsflächen allmählich größer werden und daß die Bodenflächen (20) der Ausnehmungen 19 in Richtung zum Hauptbrennraum 10 nach oben ansteigen. Folglich bewirkt eine während des Verdichtungstaktes gebildete Quetschströmung Turbulenz im Hauptbrennraum 10 und gleichzeitig eine Wirbelströmung der Frischladung, wie sie in Fig. 7 durch den Drehsinn C der Wirbelströmung dargestellt

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Fremdgezündete Brennkraftmaschine mit einem in einem Zylinder hin- und herbewegbaren Kolben, der zusammen mit einem Zylinderblock und einem Zylinderkopf einen Brennraum begrenzt, zu dem ein im Kolben oder im Zylinderkopf ausgebildeter Hauptbrennraum mit kreisförmigem Umfang gehört, wobei der Kolbenboden und der Zylinderkopf einander zugewandte, ringförmige, ebene Quetschflächen am Kolbenbodenrand bzw. diesem gegenüber aufweisen, und wobei in derjenigen Quetschfläche, die am den Hauptbrenm aum aufweisenden Teil ausgebildet ist, mindestens eine in den Hauptbrennraum mündende, mit ihrer Bodenfläche zum Hauptbrennraumboden geneigt verlaufende Ausnehmung ausgebildet ist, die in radialer Richtung hin zum Hauptbrennraum üb°r ihre gesamte Länge offen ist und eine Kante aufweist, an der die Ausnehmung in die übrige Quetschfläche übergeht und die tangential vom kreisförmigen LJmfang des Hauptbrennraumes ausgeht und sich davon in ihrem Drehsinn entfernt, wobei am Ende des Verdichtungstaktes aus der Ausnehmung Frischladung in den Hauptbrennraum strömt, die im Hauptbrennraum eine Wirbelströmung um die Kolbenlängsachse erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehsinn der sich vom Umfang des Hauptbrennraumes (10) ablösenden Kante mit dem Drehsinn (D) der Wirbelströmung im Hauptbrennraum übereinstimmt.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise die Ausnehmung (12, 19) an ihrer tiefsten Stelle in den Hauptbrennraumboden (lOa^übergeht.