DE2928021C2

DE2928021C2 - Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Selbstzündung

Info

Publication number: DE2928021C2
Application number: DE2928021A
Authority: DE
Inventors: Sumio Gotenba Shizuoka Ito; Teruo Susono Shizuoka Kumai; Hisashi Numazu Shizuoka Oki; Toshio Toyota Aichi Tanahashi
Original assignee: Toyota Jidosha Kogyo KK
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1979-03-12
Filing date: 1979-07-11
Publication date: 1983-02-24
Also published as: DE2928021A1; JPS55119911A; US4401072A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Selbstzündung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche ist aus der DE-OS 45 908 bekannt.

Bei der bekannten Maschine ist das Hilfsventil ein Rückschlagventil, das sich unter dem Druck des im Hauptbrennraum enthaltenen Gases so lange geöffnet hält, wie dieser Druck größer ist als jener in der Nebenkammer. Das Schließen des Hilfsventils nachdem FmIe der Druckanstiegsperiode im Hauptbrennraum erfolgt automatisch, nur das nach dem Ende der Füllung stattfindende Öffnen ist gesteuert. b5

Diese Konstruktion rührt von dem Ziel her, in der Nebenkammer möglichst heiße Gase zwischenzuspeichern. um mit deren Wärme die für den nachfolgenden Arbeitszyklus in den Hauptbrennraum eingeleitete Luft zu erwärmen. Die Rückführung des zwischengespeicherten Gases erfolgt am Ende der Füllung oder am Anfang der Kompression. Aufgrund dieses Zieles und der Ventilkonstruktion gelangen auch brennende oder verbrannte heiße Gase in die Nebenkammer. Der Wirkungsgrad der Maschine sinkt dadurch, da die in der Nebenkammer brennenden Gase zur Antriebsleistung der Maschine nichts beitragen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art anzugeben, bei der eine im Hauptbrennraum erzeugte Wirbelbewegung während der Verbrennungszeit aufrechterhalten und mit Hilfe der zwischengespeicherten Brenngase eine aktive Leistungssteigerung erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung überträgt das aus dem DE-GM 75 21 970 bereits bekannte Merkmai, in einer absperrbaren Nebenkammer eine Kraftstoffeinspritzdüse vorzusehen, auf die bekannte Maschine und schafft somit erstmalig eine Maschine, bei der sowohl der Hauptbrennraum als auch der absperrbare Nebenbrennraum über eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung verfügen. Der zur Leistungserzielung benötigte Kraftstoff wird in üblicher Weise in den Hauptbrennraum eingespritzt, während die Kraftstoffeinspritzung in die Nebenkammer dort zu einem gut brennbaren Gasgemisch führt, mit dessen Hilfe eine langandauernde Verwirbelung der Gase im Hauptbrennraum erzielbar ist.

Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 einen Teillängsschnitt durch eine erste Ausführungsform der Erfindung;

F i g. 2 ein Zeitdiagramm von Einspritzzeit, Öffnungszeit des Einlaßventils, des Auslaßventils und des Hilfsventils, und

Fig.3 einen Teillängsschnitt durch eine zweite Ausführungsform der Erfindung.

In den Fig. I und 3 erkennt man einen Motorblock 1 mit einem Zylinderblock 2, einem in einer Zylinderbohrung 4 im Zylinderblock 2 axial beweglichen Kolben 3, einem auf dem Zylinderblock 2 unter Zwischenlage einer Zylinderkopfdichtung 6 befestigten Zylinderkopf 5 und einen Brennraum 7 zwischen der Oberseite des Kolbens 3 und der flachen Unterseite des Zylinderkopfes 5. Einlaßventil und Auslaßventil sind nicht dargestellt. In den oberen Bereich des Kolbens 3 ist eine sphärische Vertiefung 12 ausgebildet. Im Zylinderkopf 5 ist eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung 13 so angeordnet, daß deren Einspritzdüse 14 in die sphärische Vertiefung 12 des Kolbens 3 ragt. Die Einspritzung an der Einspritzdüse 14 beginnt etwa 20° vor dem oberen Totpunkt des Kolbens beim Verdichtungstakt. Dabei wird der Kraftstoff von der Einspritzdüse 14 so abgegeben, daß er sich an der Innenwand der sphärischen Vertiefung 12 entlang bewegt.

Wie die F i g. I und 3 deutlich zeigen, ist in eine kreisförmige Bohrung )5 im Zylinderkopf 5 eine Hülse 16 eingesetzt, die in dem Zylinderkopf 5 mit Hilfe eines Befestigungselement 17 befestigt ist. In der Hülse 16 ist eine Nebenkammer 18 ausgebildet, die über einen Kanal 19 mit dem Brennraum 7 in Verbindung steht. Im Kanal 19 ist ein Ventil 20 (Hilfsventil) angeordnet, mit dessen Hilfe der Kanal 19 geöffnet und verschlossen werden

kann. An der Innenwand des Zylinderkopfes 5 ist gemäß Fig. 1 eine Nut ausgebildet, die von zwei vertikalen Wänden 21 und 22, einer geneigten Bodenwand und einer Halbzylinderwand begrenzt ist Diese Rille beginnt dicht am Hilfsventil 20, die Halbzylinderwand umgibt den Rand des Ventils dicht und die Rille erstreckt sich in Umfangsrichtung des Brennraums 7. Wenn sich das Hilfsventil 20 öffnet, dann fließt das Gas aus dem Brennraum 7 in die Nebenkammer 18 durch die öffnung, die zwischen dem Ventil 20 und seinem Ventilsitz freigegeben wird. Umgekehrt kann Gas auch aus der Nebenkammer 18 durch die gleiche öffnung in den Brennraum 7 strömen. Aufgrund der Richtung der Nut ergibt sich beim Ausströmen von Gas aus der Nebenkammer 18 in den Brennraum 7 in diesem ein Gaswirbel.

Fig.2 zeigt die zeitliche Abstimmung der Öffnungszeiten des Auslaßventils, des Einlaßventils und des Hilfsventil 20. In Fig.2 steht auf der Ordinate L der Ventilhub gemessen ab Ventilsitz und auf der Abszisse der Kurbelwinkel Θ. Der Ventilhub des Auslaßventils ist mit A, der des Einlaßventils mit B und der des Hilfsventil 20 mit Cbezeichnet. Gestrichelt mit T) ist in Fig.2 weiterhin die Einspritzzeit der Einspritzeinrichtung 13 eingezeichnet Aus Fi g. 2 erkennt man, daß die Nebenkammer 18 am Beginn des Verdichtungstaktes bei einem Kurbelwinkel geöffnet wird, der nahe dem Kurbelwinkel liegt bei welchem das Einlaßventil geschlossen wird, und daß das Hilfsventil 20 wieder geschlossen wird am Ende des Verdichtungstaktes bei jo einem Kurbelwinkel, der nahe dem Kurbelwinkel liegt, bei dem die Kraftstoffeinspritzung beginnt.

In der Nebenkammer 18 sind weiterhin eine Hilfskraftstoffeänspritzeinrichtung 26 und eine Glühkerze 27 angeordnet F i g. 2 zeigt auch die Einspritzzeit der y-, Hilfskraftstoffeinspritzeinrichtung (Hilfseinspritzer) 26. Die gestrichelten Linien D und E zeigen die Kraftsloffmengen an, die von der Einspritzeinrichtung 13 und dem Hilfseinspritzer 26 abgegeben werden. Aus F i g. 2 sieht man, daß die Einspritzung am Hilfseinspritzer 26 nach der/ Einspritzvorgang der Einspritzvorrichtung 13 beginnt. Außerdem ist es günstig, wenn man die durch den Hilfseinspritzer 26 zugeführte Kraftstoffmenge steigert, wenn die Maschine frisch in Betrieb gesetzt wird.

Im Betrieb wird während des Einlaßtaktes Luft durch das Einlaßventil in den Brennraum 7 eingelassen. Danach, wenn das Einlaßventil geschlossen ist und der Kolben 3 mit der Verdichtung der im Brennraum 7 enthaltenen Luft beginnt, wird das Hilfsventil 20 >o geöffnet. Wie nachfolgend loch erläutert wird, befindet sich vom vorangehenden Arbeitszyklus der Maschine Luft von hoher Temperatur und unter hohem Druck in der Nebenkammer 18. Andererseits ist der Druck im Brennraum 7 am Beginn des Verdichtungstaktes niedriger als der atmosphärische Umgebungsdruck. Die Differenz der Drücke im Brennraum 7 und der Nebenkammer 18 ist daher groß. Da Kraftstoff in die Nebenkammer 18 eingespritzt wird, wird dieser augenblicklich in ihr verdampft. Außerdem wird das Gemisch während der Zeit, in der es in der Ncbenkammcr 18 unter hohem Drück Und höher Temperatur gespeichert wird, umgebildet. Da bei dieser Ausführungsform beim Öffnen des Hilfsventil 20 in der ersten Hälfte des Verdichtungstaktes ein solches ti j umgeformtes Gemisch in den Brennraum 7 strömt, wird zunächst eine Selbstzündung des umgeformten Gemischs am Ende des Verdichtungstaktes hervorgerufen, bevor sich eine Selbstentzündung des Gemische ergibt, das von dem durch die Einspritzeinrichtung 13 zugeführten Kraftstoff gebildet wird. Als Folge davon kann man eine noch kürzere Zündverzögerung erreichen. Als Folge davon kann das Auftreten des bekannten Dieselklopfens oder -nagelns vermieden werden. Die Einspritzung setzt sich bis in die Zeit nach dem Passieren des oberen Totpunktes fort wie die gestrichelte Linie D in Fig.2 erkennen läßt Da die Wirbelbewegung in dem Brennraum 7 von der ersten Hälfe des Verdichtungstaktes bis nach dem Passieren der OT-Stellung des Kolbens 3 aufrechterhalten bleibt wird der eingespritzte Kraftstoff sehr schnell verbrannt Als Folge ergibt sich eine Abkürzung der Verbrennungszeit, eine Senkung der Abgastemperatur und daher eine Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades der Maschine.

Fig.3 zeigt eine zweite Atisführsngsform der vorliegenden F.rfindung. Bei dieser Austubrungsform ist eine sphärisch gestaltete Wirbelkammer 30 mit dem Kolbenbrennraum 29 über einen Verbindungskanal 28 verbunden. Wirbelkammer 30 und Verbindungskana! 38 sind im Zylinderkopf 5 ausgebildet. In der Wirbelkammer 30 ist die Einspritzeinrichtung 13 angeordnet. Der Verbindungskanal 28 verläuft tangential zur Innenwand der Wirbelkammer 30. Die Nebenkammer 18 ist über das Hilfsventil 20 und einen Gaskanal 31 mit der Wirbelkammer 30 verbunden. Die Hilfseinsprhzeinrichtung 26 und eine Glühkerze 27 sind in der Nebenkammer 18 angeordnet. Der Gaskanal 31 verläuft tangential zur Innenwand der Wirbelkammer 30 in gleicher, in Richtung des Kreispfeiles K gesehener Richtung, wie der Verbindungskanal 28. Die Öffnungszeit des Hilfsventil 20 und die Einspritzzeiten der Einspritzeinrichtung 13 und der Hilfseinspritzeinrichtung 26 sind durch die Kurve Cund die gestrichelten Linien D und E in Fig. 2 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform wird während des Verdichtungstaktes Luft aus dem Kolbenbrennnum 29 in die Wirbelkammer 30 durch den Verbindungskanal 28 gedruckt und als Folge davon wird in Richtung des Pfeiles K in der Wirbelkammer 30 ein Wirbel erzeugt. Dieser Wirbel wird noch durch das umgeformte Gemisch verstärkt, das während der ersten Hälfte des Verdichtungstaktes aus der Nebenkammer 18 in die Wirbelkammer 30 strömt. Ein Teil des an der Innenwand der Wirbeikammer 30 entlangströmenden umgeformten Gemischs sammelt sich um die Einspritzdüse 14 der Einspritzeinrichtung 13. Da dann die Selbstzündung zuerst an dem umgeformten Gemisch stattfindet, wird der aus der Einspritzdüse 14 austretende Kraftstoff schon bei der Verteilung innerhalb der WirL-elkurnmer 30 entzündet und verbrannt. Als Folge davon läßt sich die Brenndauer extrem abkürzen. Aufgrund des starken Wirbel, der in der Wirbelkammer 30 durch das aus der Nebenkammer 18 einströmende Gemisch erzeugt wird, ist es möglich, den Querschnitt des Verbindungskanals 28 relativ groß zu belassen. Diese Ausführungsform schafft somit eine Brennkraftmaschine mit Wirbelkammer, bei der die abgegebene Leistung nicht durch eine solche vermindert ist. c'ie /um Einführen der Luft in die Wirbelkammer gewöhnlich benötigt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Selbstzündung, mit einem zwischen Kolben und Zylinderkopf ausgebildeten Hauptbrennraum und einer im Zylinderkopf ausgebildeten Nebenkammer, mit einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung im Hauptbrennraum und mit einem die Nebenkammer gegen den Hauptbrennraum nur während des Großteils des Verdichtungstaktes nicht abschließenden Hilfsventils, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nebenkammer (18) eine Hilfskraftstoffeinspritzeinrichtung (26) angeordnet ist, durch die unmittelbar nach dem Schließen des Hilfsventils (20) Kraftstoff

in die Nebenkammer (18) eingespritzt ist. ,5

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 mit einer Vertiefung im Kolben, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenvertiefung (12) sphärisch ist und die Kraftstoffzuführeinrichtung (13) tangential zur Innenwand der Vertiefung (12) ausgerichtet ist

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß m der N'ebenkammer (18) eine Glühkerze (27) angeordnet ist.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptbrennraum aus einem Kolbenbrennraum (29) und einer Wirbelkammer /30) besteht, die durch einen Verbindungskanal (28) mit dem Kolbenbrennraum (29) verbunden ist, und daß die Nebenkammer (18) mit der Wirbelkammer (30) durch einen Gaskanal (31) verbunden ist

5. Brenr '--raftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffzuführungseinrichlung (13) in der Wirbelkammer (30) angeordnet ist. j5

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl im Kolbenbrennraum

(29) als auch in der Wirbelkammer (30) Kraftsloffcinspritzeinrichtungen (13) angeordnet sind.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (28) tangential mit der Innenwand der Wirbelkammer

(30) verbunden ist und eine Öffnung aufweist, die in Umfangsrichtung der Wirbelkammer(30) zeigt.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaskanal (31) tangential mit der Innenwand der Wirbelkammer (30) verbunden ist und eine Öffnung aufweist, die in Umfangsrichtung der Wirbelkammer (30) zeigt.

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