DE2717326A1

DE2717326A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2717326A1
Application number: DE19772717326
Authority: DE
Inventors: Ysohikazu Ishikawa
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1976-04-21
Filing date: 1977-04-19
Publication date: 1977-11-10
Also published as: JPS52141504U; FR2349030A1

Description

H. KINKELDEV

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W. STOCKMAIR DR t*JC At«* IC ALTl=O*

K. SCHUMANN

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P. H. JAKOB

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Nissan Motor Conpgny, Limited ₈ München μ

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Yokohama Cit-, Japan 19- April 1977

F 11

Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine verbesserte Brennkammer für eine Brennkraftmaschine.

Wie dies an sich bekannt ist, besteht ein erhebliches Bedürfnis für Brennkraftmaschinen, die einfach konstruiert sind und eine geringe Luftverschmutzung erzeugen.

Zur Herstellung einer relativ preiswerten Brennkraftmaschine, die nur eine sehr geringe Luftverschmutzung erzeugt, ist es notwendig und sehr erwünscht, daß die schädlichen Abgasbestandteile dort beseitigt werden, wo sie erzeugt werden, nämlich in der Brennkammer selbst. Zu diesem Zweck sind bereits mehrere Verfahren vorgeschlagen worden, von denen ein einfaches und sehr wirksames Verfahren darin besteht, die Gasfüllung in eine Wirbelbewegung zu versetzen, so daß sie innerhalb der Brennkammer rotiert und eine gute Verbrennung bewirkt.

Untersuchungen haben jedoch gezeigt, daß bei einer rotierenden Gasfüllung, die durch eine Zündkerze am Umfang der Brennkammer entzündet wird, innerhalb der Brennkammer ein Flammenkern erzeugt wird, der sich ungleichmäßig segmentförmig zur Rotationsachse vorwärtsbewegt. Der Flammenkern bildet sich dann als Rotationskörper im Bereich der Rotationsachse aus und dringt von dort aus in Form einer Flammenfront zu den Enden der Brennkammer nach außen. Es wurde ferner beobachtet, daß eine zu große Rotations-. geschwindigkeit der Gase dazu führt, daß die Flamme zusammengedrückt wird. Es ist daher zu erkennen, daß eine optimale Verbren-

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nung oberhalb einer oberen oder ersten Wirbelgeschwindigkeit nicht erzielbar ist, da die Flamme zusammengedrückt wird, während andererseits unterhalb einer unteren oder zweiten Wirbelgeschwindigkeit die Füllung nahezu einer nicht verwirbelten Füllung entspricht.

Um nun den Wirbel zu entzünden, ist es notwendig, die Füllung in die Brennkammer derart einzuleiten, daß sie eine sehr kleine senkrechte Bewegungskomponente und eine sehr große horizontale Bewegungskomponente aufweist (wobei die Zylinderachse die senkrechte Bezugslinie ist). Zur Erzielung der vorbeschriebenen Einleitung des Verbrennungsgemisches muß der Ansaugkanal oder Einlaßkanal derart angeordnet sein, daß er nur leicht gegenüber der Zylinderachse geneigt ist und/oder es müssen eine Strömungsleiteinrichtung im Einlaßkanal und/oder mit Leiteinrichtungen versehene Einlaßventile vorgesehen sein. Jedoch ist in einigen Fällen die Geschwindigkeit des eingeleiteten Wirbels ungenügend und muß daher mit Hilfe von überdimensionierten Quetschzonen verstärkt werden. Wie dies an sich bekannt ist, bewirken diese großen Quetschzonen jedoch eine Vergrößerung der aus der Brennkammer ausgestoßenen unverbrannten HC-Bestandteile.

Zur Herstellung eines Wirbels ist es bei einigen Brennkammern erforderlich, daß ein kompliziertes Ventilsystem verwendet wird. So ist es zum Beispiel bei halbkugelförmigen Brennkammern üblich, daß ein V-förmig angeordnetes Ventilsystem eingesetzt wird. Ein solches Ventilsystem erfordert eine relativ teure und komplizierte oben gelagerte Zwillingsnockeneinrichtung bzw. ein entsprechendes Kipphebelsystem. Ein weiterer Nachteil, der bei halbkugelförmigen Brennkammern auftritt, ergibt sich bei der Anordnung der Ventile, insbesondere der Ventile großer Durchmesser, da die Wandung der Brennkammer stark gekrümmt ist. Dieses Problem ergibt sich auch bei flachen Zylinderköpfen, weil es zur Erzielung eines Wirbels wesentlich ist, die Füllung in der vorbeschriebenen Weise in einem Winkel einzuleiten, damit eine Rotationsbewegung oder eine Verwirbelung der gasförmigen Füllung erreicht wird. Hierdurch ergibt

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sich ein unerwünscht komplizierter Ventilsitz sowie eine komplizierte Ausbildung das Einlaßkanals.

Durch die erfindungsgemäße keilförmige Ausgestaltung der Brennkammer wird jedoch eine ziemlich einfache Ventilanordnung ermöglicht, bei welcher die Ventile in einer Reihe oder parallel zueinander gelagert sind, und es wird eine schräge ebene Brennkammer-Oberfläche bereitgestellt, die besonders gut für die im Winkel erfolgende Einleitung der Gasfüllung geeignet ist und die Verwendung großer Ventile ermöglicht. Darüber hinaus ist die keilförmige Brennkammer insofern interessant, als sie sehr einfach ausgebildet ist, so daß die Herstellungskosten gesenkt werden. Bisher wies jedoch dieser Brennkammertyp den Machteil auf, daß der leicht und gewöhnlich sehr wirksam erzeugte Wirbel unmittelbar bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht, aufhört, und zwar genau in dem Zeitpunkt, in welchem der Wirbel vorzugsweise aufrechterhalten oder verstärkt werden sollte, um eine optimale Wirbelgeschwindigkeit zu erzielen, so daß bei der Entzündung des Wirbels ein Flammenkern und damit eine Flammenfront gebildet wird, welche sich in der Brennkammer in der vorbeschriebenen Weise herumbewegt und eine schnelle und ziemlich vollständige Verbrennung des Luft-/Kraftstoffgemisches oder der Füllung hervorruft. Der Grund für das Aufhören der Verwirbelung und das nachfolgende Fehlen der Flammenfrontausbildung ist der verringerten Gasströmung durch den engen oder spitzen Teil der keilförmigen Brennkammer zuzuschreiben, wenn sich der Kolben im oberen Totpunkt oder in». Bereich des oberen Totpunktes befindet.

Die Erfindung ist deshalb insbesondere darauf gerichtet, eine keilförmige Brennkammer zu schaffen, welche die gewünschten Eigenschaften, wie zum Beispiel eine einfache Konstruktion und damit verbundene niedrige Kosten aufweist und die mit einem Kolben mit einer Ausnehmung zusammenwirkt, so daß die Einschnürung der Gasströmung in dem engen Teil der keilförmig ausgebildeten Brennkammer vermieden wird und die Quetschzone zur Verringerung der Kohlenwasserstoff entwicklung auf einem Minimum gehalten wird, während gleichzeitig am oberen Totpunkt und am Zündpunkt eine gewünschte Wirbel-

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geschwindigkeit erzielt wird, um eine wirksame Verbrennung zu erreichen.

Ein bemerkenswerter Vorteil der schnellen Verbrennung, die durch die Verwirbelung der brennbaren Gase hervorgerufen wird, besteht

darin, daß bei der Verbrennung eine nicht so hohe Spitzentemperatur auftritt, die außerdem dadurch verhindert wird, wenn etwas inertes Gas zum Beispiel über einen E.G.R.-Einrichtung, d. h. eine Abgasrückführeinrichtung (exhaust gas recirculation) zugeführt wird, so daß die Ausbildung von NOX-Bestandteilen wesentlich verringert wird. Hierdurch wird in Verbindung mit der wirksamen Verbrennung (und damit einer Verringerung der schädlichen HG- und CO-Bestandteile) eine ziemlich "saubere Brennkraftmaschine" geschaffen. Natürlich kann an die Brennkraftmaschine noch ein thermischer Reaktor, ein katalytischer Konverter oder eine isolierte Abgassammelleitung angeschlossen sein, welche als thermischer Reaktor dient, falls eine weitere Verringerung der schädlichen Abgasbestandteile erforderlich ist.

Die Erfindung ist deshalb hauptsächlich darauf gerichtet, eine Brennkraftmaschine mit einer Brennkammer zu schaffen, .in welcher am oberen Totpunkt zum Zündzeitpunkt ein erwünschter Wirbel erzeugt wird, damit innerhalb der Brennkammer eine wirksame Verbrennung der Füllung stattfindet.

Die Erfindung ist ferner darauf gerichtet, eine Brennkraftmaschine mit einer Brennkammer zu schaffen, die am oberen Totpunkt zum Zündzeitpunkt in einer Füllung einen VJirbel gewünschter Stärke erzeugt, wobei die Füllung ein von einer E.G.R-Einrichtung zugeführtes Gas enthält, damit eine wirksame Verbrennung erzielt und Fehlzündungen infolge der Anwesenheit des E.G.R.-Gases vermieden werden.

Die Erfindung ist schließlich darauf gerichtet, eine Brennkraftmaschine zu schaffen, bei welcher die mechanischen Teile, insbesondere der Zylinderkopf und der Zylinderblock einfach ausgestaltet sind, um die Herstellungskosten zu senken. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist gekennzeichnet durch ein Luftansaug-

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system, welches eine brennbare Füllung erzeugt, die um die Zylin- . derachse eine Wirbelbewegung ausführt, durch einen Zylinderkopf mit einer darin angeordneten keilförmigen Ausnehmung und durch einen Kolben, der eine keilförmige Ausnehmung besitzt, wobei die Ausnehmungen in dem Kolben und in dem Zylinderkopf derart angeordnet sind, daß die einander gegenüberliegenden Oberflächen der beiden keilförmigen Ausnehmungen im wesentlichen parallel verlaufen und der Wirbel der Füllung eine ringförmige Bewegung ausführt, wenn sich der Kolben an seinem oberen Totpunkt befindet, und wobei die Ebene der ringförmigen Wirbelbewegung gegenüber der Zylinderachse geneigt ist.

Gemäß der Erfindung wird also vorgeschlagen, daß der Zylinderkopf und der Kolben eine gleiche keilförmige Ausnehmung aufweisen, wobei die Ausnehmungen derart angeordnet sind, daß am oberen Totpunkt eine Verwirbelung innerhalb der Füllung erzeugt wird, die in eine ringförmige Strömung übergeht, welche mit einer Neigung zur Zylinderachse angeordnet ist. Am stumpfen Ende des oberen keilförmigen Kammerabschnittes befindet sich eine Zündkerze, die in diesen Ringwirbel hineinragt.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Darin zeigen:

Fig. 1 eine senkrechte Schnittansicht durch eine mit der erfin*· dungsgemäßen Brennkammer ausgestattete Brennkraftmaschine;

Fig. 2 eine schematische perspektivische Ansicht der Brennkammer, wobei das Strömungsbild der Gasfüllung während des Ansaughubes gezeigt ist, bei welchem sich der Kolben in der Nahe des unteren Totpunktes befindet, und

Fig. 3 eine zweite schematische perspektivische Ansicht der Brennkammer, wobei das Strömungsbild der Gasfüllung gezeigt ist, wenn sich der Kolben im wesentlichen in der Nähe des oberen Totpunktes befindet.

In der Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Zylinderkopf "bezeichnet, der in an sich bekannter Weise an einem Zylinderblock 2

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befestigt ist. In einem Zylinder oder einer Zylinderbohrung des Zylinderblockes 2 ist ein Kolben 3 hin- und herbewegbar gleitend gelagert. In dem Zylinderkopf 1 befindet sich eine keilförmige Brennkammer 4, die mit einem Einlaßkanal 5 über ein Einlaßventil 6 in Verbindung steht. Das Auslaßventil und der Auslaßkanal sind der Einfachheit halber nicht dargestellt. Durch den Zylinderkopf 1 greift eine Zündkerze 7 hindurch, welche in den größeren Abschnitt oder das stumpfe Ende der keilförmigen Brennkammer hineinragt, und in der Oberfläche des Kolbens ist eine Ausnehmung 8 vorgesehen, welche in der Ausgestaltung der darüber angeordneten keilförmigen Brennkammer entspricht, jedoch derart angeordnet ist, daß das stumpfe Ende 8a der keilförmigen Ausnehmung dem stumpfen Ende 4a der keilförmigen Brennkammer des Zylinderkopfes 1 zugeordnet ist bzw. umgekehrt.

In der Fig. 2 ist das Strömungsbild einer durch das geöffnete Einlaßventil 6 eingeleiteten Füllung dargestellt. Wie dies zu er kennen ist, ist der Einlaßkanal in einem Winkel zur Achse der Zylinderbohrung angeordnet, in welcher der Kolben gelagert ist. Die Gase neigen daher dazu, zu einer Seite· !der Brennkammer zu strömen und sich dann spiralenförmig nach unten zu bewegen, bis sie die Oberfläche des Kolbens berühren. Die Gase beginnen sich daher zu verwirbeln und bilden einen Gasring, wie dies am besten aus der Fig. 3 zu entnehmen ist (der etwas gegenüber der Zylinderachse geneigt ist, wenn sich der Kolben, während des Kompressionshubes nach oben bewegt) . Wenn sich dann der Kolben im Bereich des oberen Totpunktes (T.D.C.) befindet oder diesen erreicht, dann wird das Drehmoment der Wirbelgase durch eine Quetschbewegung überlagert, welche durch eine Quetschzone 9 erzeugt wird. Die Zündzeit kann derart gewählt sein, daß die Zündung unmittelbar oder unmittelbar nach oder während der Quetschbewegung stattfindet, je nachdem, um welche Brennkraftmaschine es sich handelt. Nach der Zündung nimmt der Flammenkern die vorbeschriebene Form ein und wird am Umfang der Brennkammer durch die Ringbewegung der umwirbelnden Gase entlangbewegt, so daß die gesamte Füllung entzündet wird, während gleichzeitig die Flammenfront in die Mitte der Brennkammer vordringt. 709845/0835

Das vorbeschriebene Zündverfahren ist ferner in demjenigen Falle sehr vorteilhaft einsetzbar, in dem eine E.G.R.-Einrichtung Verwendung findet, da in diesem Fall eine sichere Zündung der Füllung gewährleistet wird, obwohl die Füllung einen relativ gro3en NOX-Anteil zur Unterdrückung schädlicher Abgasbestandteile enthält.

Die erfindungsgemäße Brennkammer ermöglicht ferner vorteilhaft einen Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem magereren Gemisch als das stöchiometrische Luft-/Kraftgemisch, da durch die Verwirbelung eine sichere Zündung gewährleistet wird. Auf diese Weise wird eine erhebliche Kraftstoffmenge gespart.

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Claims

PmTENTANWALTE A. GRÜNECKER

H. KtNKELDEY W. STOCKMAIR

2717326 K.SCHUMANN

P. H. JAKOB

G. BEZOLD

CR RER NAT Om. !>fM

8 MÜNCHEN 22

MAXIMILIANSTRASSS 43

P 11 454

Patentansprüche

Brennkraftmaschine mit hin- und herbewegbar gelagerten Kolben, gekennzeichnet durch ein Luftansaugsystem (5), welches eine brennbare Füllung erzeugt, die um die Zylinderachse eine Wirbelbewegung ausführt, durch einen Zylinderkopf (1) mit einer darin angeordneten keilförmigen Ausnehmung (4) und durch einen Kolben (3), der eine keilförmige Ausnehmung (8) besitzt, wobei die Ausnehmungen in dem Kolben und im Zylinderkopf derart angeordnet sind, daß die einander gegenüberliegenden Oberflächen der beiden keilförmigen Ausnehmungen im wesentlichen parallel verlaufen und der Wirbel der Füllung eine ringförmige Bewegung ausführt, wenn sich der Kolben an seinem oberen Totpunkt befindet, und wobei die Ebene der ringförmigen Wirbelbewegung gegenüber der Zylinderachse geneigt ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (3) und der Zylinderkopf (1) einander zugeordnete Flächen (9) besitzen, die im Bereich des oberen Totpunktes einen Quetschwirbel erzeugen, welcher der sich entlang der Ringbahn bewegenden verwirbelten Füllung überlagert wird.

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TELEFON (Οββ) 22 2βθ2 TELEX OS-SS 3BO TELEGRAMME MONAPAT TELEKOPIERER

ORIGINAL INSPECTED

3- Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zylindsrkopf (1) eine Zündkerze (7) angeordnet ist, welche in das stumpfe Ende (4a) der keilförmigen Ausnehmung (4) des Zylinderkopfes eingreift und bis in die sich entlang der Ringbahn bewegende Füllung hineinragt.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkopf (1) mit in einer Reihe hintereinander angeordneten Ventilen ausgestattet ist.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Luftansaugsystem einen Einlaßkanal (5) aufweist, der derart angeordnet ist, daß die Füllung in die keilförmige Ausnehmung (4) des Zylinderkopfes (1) in einem Winkel zur Zylinderachse eingeleitet wird.

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