DE2805133A1

DE2805133A1 - Luftverdichtende selbstzuendende brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2805133A1
Application number: DE19782805133
Authority: DE
Inventors: Konrad Ing Grad Barnert; Ingolf Ing Grad Loehner
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1978-02-07
Filing date: 1978-02-07
Publication date: 1979-08-09
Also published as: US4340019A; DE2805133C2

Description

AKTIENGESELLSCHAFT 5180 Wolfsburg

Unsere Zeichen: K 3480
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Luftverdichtende selbstzündende Brennkraftmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine luftverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschine mit einem in-einem Zylinder gleitenden, zwischen diesem und einem Zylinderkopf eine Hauptbrennkammer einschließenden Kolben und mit einer im Zylinderkopf angeordneten, über einen Verbindungskanal mit der Hauptbrennkammer verbundenen Yorkammer, in die eine Kraftstoffeinspritzdüse und ein Glühstift hineinragt.

Bei solchen Brennkraftmaschinen erfolgt die Einspritzung und anschließende Selbstzündung des Kraftstoffes in der im allgemeinen als Wirbelkammer ausgebildeten Torkammer, deren Volumen etwa JO - 60 %- des gesamten Kompressionsvolumens des entsprechenden Zylinders ausmacht. Nach der Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Vorkammer schießt dann eine brennende

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Vorsitzender Vorstand: Toni Schmücker, Vorsitzender · Horst Backsmann · Prof. Dr. techn. Ernsl Fiala ■ Dr. jur. Peter Frerk

des Aufsichtsrats: Günter Hartwich · Horst Münzner · Dr. rer. pol. Werner P. Schmidt Gottlieb M. Strobl · Prol. Dr. rer. pol. Friedrich Thomee

Hans Biinbeum Sitz der Gesellschaft: Wolfsburg Amtsgericht Wolfsburg HRB

Gasflamme durch den Verbindungskanal' in den Hauptbrennraum, der bei Einhaltung engster Toleranzen zwischen dem Kolben und dem Zylinderkopf zu einem wesentlichen Teil durch eine in der Kolbenstirnfläche eingearbeitete muldenförmige Ausnehmung gebildet wird. Die muldenförmige Kolbenausnehmung hat dabei die Aufgabe, die Flammengase nach Möglichkeit gleichmäßig über den gesamten ^! restlichen Teil der Hauptverbrennungskammer, die oberhalb der Kolbenstirnfläche zwischen dem Kolben und dem Zylinderkopf gebildet ist, zu verteilen. Erst dadurch kann eine weitgehende Verbrennung der gesamten ²ylinderladung zur Erreichung eines \ hohen Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine sichergestellt werden.

Nun hat sich jedoch gezeigt, daß bei derartigen Wirbelkammer-Dieselmotoren vor allem bei Yollast infolge unvollständiger Verbrennung des Kraftstoffs sogenannter Schwarzrauch entsteht, der bisher nur durch Reduzierung der eingespritzten Kraftstoffmenge, d.h. durdi Begrenzung der Leistung der Brennkraftmaschine verringert werden konnte.

Die der Erfindung zugrundeliegende·.Aufgabe besteht daher darin, bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art den Verbrennungsvorgang zu verbessern und insbesondere die Schwarzrauchbildung ohne Reduzierung der Leistung der Maschine entscheidend einzudämmen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung dadurch, daß eine mit der Vorkammer durch eine düsenförmige öffnung in Verbindung stehende kleinere Nebenkammer vorgesehen ist. Die von der Erfindung vorgeschlagene zusätzliche Nebenkammer, deren Volumen zweckmäßigerweise etwa 5 - 20 fo des Volumens der Vorkammer betragen sollte, dient dabei zur Speicherung von Sauerstoff, der nach der Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Vorkammer zur Verlängerung der Brennzeit in der Wirbelkammer zugeführt wird. Dabei wird während des VerbrennungsVorgangs, die

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gespeicherte Verbrennungsluft aus der Nebenkammer herausgerissen, wobei die düsenförmige Verbindungsöffnung zwischen der Neben- und der Vorkammer eine besonders wirksame Verbrennung und Durchspülung der Vorkammerladung bewirkt.

Dabei kann die Nebenkammer als den Glühstift ringförmig umgebende Ausnehmung ausgebildet sein, die über einen zwischen dem Glühstift und der Glühstiftaufnahmebohrung verbleibenden Eingspalt mit der Vorkammer verbunden ist. Auch kann die Nebenkammer in . y der Weise am Umfang der Vorkammer angeordnet sein, daß ihre du- ., senförmige Verbindungsöffnung im Bereich des Einspritzstrahls der Einspritzdüse liegt. Im letzteren Pail gelangt Kraftstoff auch in die Nebenkammer, so daß auch dort eine Verbrennung stattfindet. Insbesondere bei Leerlauf sowie niedrigen Lasten und Drehzahlen, bei denen in der Wirbelkammer nur eine schwache Verwirbelung der Verbrennungsluft mit der Folge des Auftretens von Zündverzügen erfolgt, kann durch die Zuhilfenahme der kleineren Nebenkammer eine bessere Zündung und Verbrennung erreicht werden. Der Verbrennungsvorgang kann noch weiter verbessert werden, wenn gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung die Wände der Nebenkammer mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung versehen sind. Solche Beschichtungen können beispielsweise aus Platin, Rhodium, Palladium oder sonstigen Edelmetallen bestehen, aber auch aus sonstigen Nichtedelmetall-Katalysatoren, wie beispielsweise Kupfer- Chrom- Nickel-Legierungen. Die katalytische Beschichtung der Nebenkammeroberfläche bewirkt dabei eine beschleunigte Oxidation bei verringerten Temperaturen, so daß die Leerlaufeigenschaften eines Dieselmotors verbessert werden können.

Ein anderer Vorschlag der Erfindung geht dahin, die Nebenkammer mit einem porösen Material mit hoher Sauerstoffspeicherfähigkeit, beispielsweise mit einem Zirkonium oder eine Zirkoniumverbindung enthaltenden keramischen Werkstoff auszufüllen. Durch diese Maßnahme könnte eine Vergrößerung des Vorkammer-Volumens und damit eine Verringerung des Verdichtungsverhältnisses

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ohne Verzicht auf den zusätzlichen Sauerstoff für die Verbrennung liefernden Speicher vermieden werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Zeichnung enthalten, die im folgenden näher beschrieben werden. Die Zeichnung zeigt in '

Figur 1 einen Längsschnitt durch den Verbrennungsraum eines

Wirbelkammer-Dieselmotors gemäß der Erfindung, Figur 2 eine andere AusführungsVariante eines Wirbelkammer-Dieselmotor-Verbrennungsraums und \ . Figur 3 einen Längsschnitt durch einen Vorkammereinsatz für einen Wirbelkammer-Dieselmotor, bei der eine dritte Variante der Erfindung verwirklicht ist.

In den einzelnen Figuren der Zeichnung ist für gleiche Bauteile das gleiche Bezugszeichen verwendet worden. Dabei stellt 1 einen Zylinderblock, 2 einen in der Zylinderbohrung gleitenden Kolben und 5 einen Zylinderkopf einer mehrzylindrigen, luftverdichtenden Brennkraftmaschine mit Selbstzündung (Dieselmotor) dar. Der Brennraum dieses Dieselmotors wird durch eine zwischen dem Kolben 2 und dem Zylinderkopf 3 eingeschlossene .Hauptbrennkammer 4 sowie durch eine im Zylinderkopf angeordnete Vorkammer 6 gebildet, die über einen Verbindungskanal 7 mit der Hauptbrennkammer 4 verbunden ist. Die Hauptbrennkammer 4 wird in dem in der Zeichnung dargestellten oberen Verdichtungstotpunkt des Kolbens 2 zu einem wesentlichen Teil durch eine in der Kolbenstirnfläche eingearbeitete, muldenförmige Ausnehmung 5 gebildet. Die Vorkammer 6 ist in dem Zylinderkopf 3 eingearbeitet und wird zum Hauptbrennraum 4 hin durch einen den Verbindungskanal 7 aufweisenden Einsatz 8 begrenzt. Mit 10 ist eine Einspritzdüse bezeichnet, deren Abspritzöffnung über eine Verbindungsbohrung 9 mit der Vorkammer 6 verbunden ist, während ein Glühstift 12 durch eine Aufnahmebohrung 11 direkt in die Vorkammer 6 hineinragt.

In der in der Figur 1 gezeigten Ausiührungsform ist eine den Glühstift 12 ringförmig umgebende Ausnehmung 13 vorgesehen, die über

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den zwischen dem Glühstift 12 und der Glühstiftaufnahmebohrung verbleibenden Ringspalt 14 mit der Vorkammer 6 verbunden ist. Während des Ansaug- und Verdichtungstaktes der Brennkraftmaschine gelangt nun frische Luft nicht nur in die Hauptkammer 4 und die Vorkammer 6 sondern auch über den Ringspalt 14 in die Nebenkammer 13. Wie bei dieser Brennkraftmaschinenart üblich ergibt sich während des Kompressionstaktes in der Vorkammer infolge der etwa tangentialen Einmündung des Verbindungskanals 7 eine starke Ver- ^ wirbelung der dort vorhandenen Luft. In diese stark verwirbelte, unter hohem Druck stehende Luft wird, nun von der Einspritzdüse Kraftstoff eingespritzt, der schnell verdampft und gezündet wird. Nach der Zündung verbrennt zunächst das in der Vorkammer vorhandene Kraftstoff-Luft-Gemisch, das infolge der Einspritzung des Kraftstoffs in diesen Bereich des Brennraums insbesondere bei hohen Lasten relativ fett ist, das heißt nicht'genügend Sauerstoff zur vollständigen Verbrennung aufweist. Um den dadurch verursachten Schwarzrauch zu verringern,ist bei der Erfindung eine zusätzliche Hebenkammer vorgesehen,die als Luftspeicher zur zusätzlichen Lieferung von Verbrennungsluft für den Verbrennungsvorgang in der Vorkammer dient. Die in der Vorkammer brennende und durch den Verbindungskanal 7 in den" Hauptbrennraum 4 übertretende Plamme zieht die in der Hebenkammer gespeicherte Luft durch den düsenförmigen Ringspalt I4 in die Vorkammer 6 hinein, so daß der Verbrennungsvorgang dort verlängert und dadurch verbessert wird. Insbesondere die lästige und schädliche Schwarzrauchbildung bei Vollast des Dieselmotors wird auf diese Weise entscheidend eingeschränkt.

In der "Figur 2 ist eine andere Ausführungsform der Nebenkammer dargestellt, bei der diese durch eine besondere im Zylinderkopf ausgesparte Kammer· I5 gebildet ist. In diese kammerförmige Ausnehmung ist ein Ring I7 mit einer düsenförmigen Durchgangsöffnung 16 zur Verbindung der Nebenkammer 15 mit der Vorkammer eingeschraubt.

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Schließlich zeigt die Figur 3 eine weitere Ausführungsform, bei der eine Nebenkammer 18 in dem die Vorkammer 6 gegen den Hauptbrennraum 4 abgrenzenden Einsatz 8a angeordnet ist. Nach außen wird die Nebenkammer 18 durch einen einschraubbaren Einsatz 20 begrenzt, während die Verbindung zur Vorkammer 6 durch eine düsenförmige Bohrung 19 hergestellt wird, die im Bereich des Ein- ^; spritzstrahls der Kraftstoffeinspritzdüse liegt. Die Einspritzrichtung der hier nicht näher gezeigten Einspritzdüse wird durch die strichpunktierte Linie 21 angedeutet.

In. der in der Figur 3 gezeigten Ausführungsform gelangt also auch ein Teil des in die Vorkammer eingespritzten Kraftstoffes in die kleinere Nebenkammer, die etwa 5 - 20 fo des Volumens der Vorkammer betragen soll. Dadurch wird insbesondere im Leerlauf und bei niedrigen Teillasten des Dieselmotors, wenn aufgrund der niedrigeren Drehzahlen des Motors die Wirbelbewegung der Luft in der Vorkammer nicht genügend groß ist, eine verbesserte Zündung und Verbrennung durch Zuhilfenahme dieser Hebenkammer erreicht. Dabei könnte es auch zweckmäßig sein, die Wandpartien der Bebenkammer mit einem katalytisch wirksamen Material, beispielsweise einem Edelmetall wie Platin oder dergleichen beziehungsweise mit einem Nichtedelmetall-Katalysator zu beschichten.

Eine in der Zeichnung nicht dargestellte Möglichkeit besteht darin, die Nebenkammer vollständig oder gegebenenfalls teilweise mit einem porösen Material mit hoher SauerstoffSpeicherfähigkeit, beispielsweise mit einem Zirkonium oder eine Zirkoniumverbindung enthaltenden keramischen Werkstoff, auszufüllen. Dadurch könnte eine Vergrößerung des Vorkammervolumens und eine dadurch verursachte Verringerung des Verdichtungsverhältnisses des Dieselmotors vermieden werden und gleichzeitig ein sehr wirkungsvoller Sauerstoffspeicher bereitgestellt werden.

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Leerseite

Claims

AKTIENGESELLSCHAFT 5180 Wolfsburg

Unsere Zeichen: K 248O
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FeD, 1978

ABrSPRTTGHE

(t)l Luftverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschine mit einem in einem Zylinder gleitenden, zwischen diesem und einem Zylinderkopf eine Haupfbrennkammer einschließenden Kolben und mit einer im Zylinderkopf angeordneten, über einen Verbindungskanal mit der Hauptbrennkammer verbundenen Vorkammer, in die eine Kraftstoffeinspritzdüse und ein Glühstift hineinragt, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit der Vorkammer (6) durch eine düsenförmige Öffnung (14; 16; 19) in Verbindung stehende, kleinere Höhenkammer (13; 15; 18) vorgesehen ist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Nebenkammer (ijj 15»18) 5 - 20 fo des Volumens der Vorkammer (6) beträgt.

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ORIGINAL INSPECTED

Vorsitzender Vorstand: Toni Schmücker, Vorsitzender ■ Horst Backsmann · Prof. Dr. fechn. Ernst FIaIa ■ Dr. jur. Peter Frerk

des Aufsichtsrats: Günter Hartwich · Horst Münzner ■ Dr. rer. pol. Werner P.Schmidt Gottlieb M. Strobl ■ Prof. Dr. rer. pol. Friedrich Thomee

Hans Birnbaum Sitz der Gesellschaft: Wolfsburg Amtsgericht Wolfsburg HRB
3· Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenkammer als den Glühstift (12) ringförmig umgebende Ausnehmung (1J5) ausgebildet ist, die über einen zwischen dem Glühstift und der Glühstiftaufnahmebohrung (11) verbleibenden Ringspalt (I4) mit der Vorkammer (6) verbunden ist.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- t zeichnet, daß die Nebenkammer (ΐθ) in der Weise am Umfang der Vorkammer (6) angeordnet ist, daß ihre äüsenförmige Verbin- ■■ dungsöffnung (19) im Bereich des Einspritzstrahls der Einspritzdüse (1O) liegt.
5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4i dadurch gekennzeichnet, daß die Wände der Febenkammer (1J; 15; 18) mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung versehen sind.
6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Ifebenkammer (15; 15; 18) mit einem porösen Material mit hoher Sauerstoffspeicherfähigkeit ausgefüllt ist.

7· Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial aus einem Zirkonium oder eine Zirkoniumverbindung enthaltenden keramischen Werkstoff besteht.

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