DE3045439A1

DE3045439A1 - Brennkraftmaschine mit einer wirbelerzeugungseinrichtung

Info

Publication number: DE3045439A1
Application number: DE19803045439
Authority: DE
Inventors: Tsutsumi Yokohama Kanagawa Saburo
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1979-12-04
Filing date: 1980-12-02
Publication date: 1981-06-11
Anticipated expiration: 2000-12-03
Also published as: FR2471476B1; JPS5685025U; US4465034A; GB2064646B; GB2064646A; JPS5830097Y2; FR2471476A1; DE3045439C2

Description

BESCHREIBUNG:

Die Erfindung betrifft ganz allgemein eine Brennkraftmaschine, -und insbesondere eine Wirbelerzeugungseinrichtung für eine Brennkraftmaschine, die eine steuerbare Erzeugung einer Verwirbelung um die Brennkammer ermöglicht, die auch am Ende des Kompressionshubs vorhanden ist.

Bei einer üblichen Auslegung ist ein Flügel in dem Ansaugkanal im wesentlichen parallel zur Zylinderachse angeordnet. Dieser Flügel ist beweglich, um die Querschnittsfläche des Ansaugkanals zu verändern, und demzufolge die Geschwindigkeit des einströmenden Ladegemisches unter bestimmten Betriebsbedingungen zu vergrößern. Das Ladegemisch wird hierbei in die Brennkammer geleitet, so daß eine Verwirbelung um die Achse des Zylinders vorhanden ist. Diese Auslegung hat jedoch den Nachteil, daß die variable Öffnung, durch die das Ladegemisch strömt, im wesentlichen rechteckig ist und zur Längsachse im wesentlichen parallel zur Zylinderachse ausgerichtet ist. Deshalb wird das Ladegemisch in die Brennkammer mit einer relativ schwachen Strömungskomponente in einer Ebene senkrecht zur Zylinderachse eingeleitet. Hierdurch ergibt sich die Bildung einer Verwirbelung in der Brennkammer an sich, aber die-. se Verwirbelung verschwindet, wenn sich der Kolben dem oberen Totpunkt (OT) während des Kompressionshubs nähert, wobei die Verwirbelung gerade hierbei zur Förderung einer wirksamen Verbrennung am wichtigsten ist.

Nach der Erfindung ist ein im wesentlichen rechteckiger wirbelerzeugender Flügel vorgesehen, der in einem im Querschnitt rechteckigen Abschnitt des Ansaugkanals derart angeordnet

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ist, daß das Ladegemisch beschleunigt wird, und "bewirkt, daß dasselbe eine Strahlströmung annimmt, die eine möglichst große Strömungskomponente in einer Ebene senkrecht zur Zylinderachse hat. Der Ansaugkanal ist so zum Zylinder ausgerichtet, daß die Strahlströmung in die Brennkammer tangential zur Zylinderwand eingeleitet v/ird, und daß eine starke Verwirbelung erzeugt wird, die selbst dann noch vorhanden ist, wenn sich der Kolben während des Kompressionshubs dem oberen Totpunkt (OT) nähert. Am hinteren Ende ist der Flügel derart kurvenförmig gekrümmt, daß an diesem Ende vorbei eine laminare Strömung gebildet wird, und der Flügel ist mit einer Steuereinrichtung betriebsverbunden, die vorzugsweise von der Drosselklappe der Brennkraftmaschine gebildet wird, so daß sich der Flügel in Abhängigkeit von der Ansaugung der Brennkraftmaschine bewegen kann und die maximale Strömungsgeschwindigkeit der Strahlströmung ohne Verminderung der Ladewirkung aufrechterhalten werden kann.

Weitere Einzelheiten, Merlanale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. In der Zeichnung sind gleiche oder ähnliche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen, und es zeigt:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer ersten Ausfüh

rungsform nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Ansicht mit Blickrichtung in Rich

tung des Pfeils H in Fig. 1,

Fig. 3,4 und 5 schematische Draufsichten auf mögliche

Auslegungen von Ansaugkanaleinlässen, die in Verbindung mit der wirbelerzeugenden Einrichtung nach der Erfindung verwendet werden können,

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OWGlMAL INSPECTED

Fig. 6 eine Schnittansicht einer zweiten Ausfüh

rungsform nach der Erfindung, und

Fig. 7 eine schematische Draufsicht auf eine

dritte Ausführungsform, bei der die wirbelerzeugende Einrichtung nach der Erfindung mit einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung kombiniert ist.

Unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, und insbesondere auf die Fig. 1 und 2 soll eine erste Ausführungsform nach der Erfindung erläutert v/erden. In Fig. 1 ist mit 10 eine Brennkraftmaschine bezeichnet, die einen darin ausgebildeten Zylinder 12 hat,und ein Zylinderkopf 14 ist angeordnet, us ein Ende des Zylinders zu verschließen. Ein Kolben 16 ist in dem Zylinder hin- und hergehend beweglich, um eine Brennkammer 18 mit variablem Volumen zu begrenzen. Von der Brennkammer geht ein Ansaugkanal 20 zur Umgebung. Ein Einlaßventjfl. 22 ist auf an sich bekannte Art und Weise angeordnet, um die Verbindung zwischen der Brennkammer 18 und dem Ansaugkanal zu regeln. Eine Zündkerze 24 oder dergl.ist den Zylinderkopf 14 durchsetzend angeordnet, welche zur Zündung des Brenngemisches dient, das in der Brennkammer während des Kompressionshubs komprimiert wird. Ein wirbelerzeugender Flügel 26 ist auf einer Achse 30 schwenkbar bzw. drehbar angebracht und im Ansaugkanal 20 angeordnet, um das einströmende Ladegemisch umzulenken und dasselbe in die Brennkammer 18 mit einer starken Verwirbelungskomponente in einer Ebene senkrecht zur Zylinderachse 28 zu richten. Wie am besten in Fig. 2 gezeigt, ist der Flügel im wesentlichen rechteckig und in einem Abschnitt des Ansaugkanals angeordnet, der einen rechteckigen Querschnitt hat, wobei die Breite etwa die gleich wie die Breite des Flügels ist, um die Ladegemischmenge zu verringern, die an den Seitenrändern des Flügels vorbeiströmen

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kann. Bei dieser Auslegung ist die Achse 30 in einem Zweig 32 einer Ansaughauptleitung derart angeordnet, daß sich der Flügel von der Achse bis zu dem Ansaugkanaleinlaß 36 erstreckt, der in dem Zylinderkopf 14 ausgebildet ist. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist der Flügel 26 derart angeordnet, daß er sich der Brennkammer soweit wie praktisch möglich annähert, so daß bei der maximalen Auslenkung des hinteren Rands 37 des Flügels die Führungshülse 38 des Einlaßventiles eng benachbart liegt. Der hintere Rand 37 nach Fig. 1 ist gleichmäßig gekrümmt, um an diesem Abschnitt vorbei eine im wesentlichen laminare Strömung zu induzieren, und in der Stellung mit minimaler Ablenkung wird ein längliches, rechteckiges Fenster mit variablem Querschnitt begrenzt, wie sich am besten aus Fig. 2 ergibt. Die größte Abmessung dieses rechteckigen Fensters erstreckt sich in Richtung a.

Eine Verbindungseinrichtung 40 zur Vornahme der Winkelverstellung des Flügels ist vorgesehen und hat einen Hebel 42 und eine Welle bzw. Achse oder einen Zug 43» der die Drehwelle 30 und den Flügel 26 mit einer entsprechenden Steuereinrichtung verbindet, die vorzugsweise von der Drosselklappe 54 eines Vergasers 46 gebildet wird. Die Einrichtung ist jedoch nicht auf die Auslegung der Drosselklappe und/oder des Fahr- bzw. Gaspedals beschränkt, sondern kann irgendeine zur Erfüllung der Steuerfunktion geeignete Form haben.

Wenn beim Arbeiten der Brennkraftmaschine diese im Leerlauf oder bei niedriger Belastung arbeitet, ist die Drosselklappe 44 beinahe geschlossen. Durch die Zwischenverbindung zwischen der Drosselklappe 44 und dem Flügel 26 wird bewirkt, daß der Flügel 26 eine Stellung einnimmt, die der in Fig. 1 gezeigten ähnlich ist. Wenn somit das Luft- und/oder Luft-Kraftstoffgemisch durch den Ansaugkanal 20 strömt, wird es abgelenkt bzw. umgelenkt und durch den Flügel beschleunigt. Nach dem Vorbeigang an'dem Flügel nimmt die Strömung eine Strahlströmung ein,

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die einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt hat. Diese Strahlströmung fließt dann durch den Zwischenraum zwischen dem abgefasten bzw..abgeschrägten Kopf 48 des Einlaßventils 22 und dem Ventilsitz 50 in die Brennkammer 18. Wie sich aus Fig. 1 ergibt, ist die Mittellinie C des Ansaugkanals derart angeordnet, daß sie sich so nahe wie möglich parallel zu der Ebene senkrecht zur Zylinderachse erstreckt, so daß das Ladegemisch in Richtung der Brennkammer soweit wie möglich horizontal weitergeleitet wird. Ferner ist, wie in Fig. 3 gezeigt, der Ansaugkanal ebenfalls so beschaffen, daß das Ladegemisch in die Brennkammer tangential zur Zylinderwand eingeleitet wird, wodurch in Verbindung mit dem horizontalen Verlauf des Ansaugkanals in bezug zu der ZyIinderachse und der durch den Flügel erzeugten Strahlströmung ein wie zuvor beschriebener rechteckiger Querschnitt vorhanden ist, der bewirkt,daß das Ladegemisch in die Brennkammer so eingeleitet wird, daß es mit einer starken horizontalen Strömungskomponente (bezogen auf die vertikale Zylinderachse) verwirbelt wird. Durch diese starke horizontale Strömungskomponente bleibt die Verwirbelung selbst dann aufrechterhalten, wenn sich der Kolben einem oberen Totpunkt (OT) nähert.

In den Fig. 4 und 5 sind alternative Auslegungsformen zur Einleitung des Ladegemischs in die Brennkammer tangential zur Zylinderwand gezeigt.

Wenn die Beanspruchung der Brennkraftmaschine zunimmt und sich die Drosselklappe öffnet, v/ird der Flügel 26 demzufolge so bewegt, daß die Querschnittsfläche größer wird, durch die das Ladegemisch strömen kann. Da aber der größere Öffnungsgrad der Drosselklappe ein größeres Luftvolumen durchläßt, das durch den Ansaugkanal strömt, bleibt die Wirkung des wirbelerzeugenden Flügels aufrechterhalten, ohne daß irgendeine unerwünschte Strömungsdrosselung auftritt, die zu einem Ladeleistungsverlust führen würde. Somit v/ird unter allen Betriebsbedingungen

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der Brennkraftmaschine eine optimale Strömungsgeschwindigkeit an dem Flügel vorbei aufrechterhalten.

In Fig. 6 ist eine zweite Ausführungsform nach der Erfindung gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist die Achse 30 an dem Zylinderkopf 14 angebracht.Mit dieser Auslegung wird eins genaue Einstellung der minimalen Querschnittsfläche des rechteckigen Fensters im Gegensatz zu der ersten Ausführungsform erreicht, bei der der Flügel in der Ansaughauptleitung derart angebracht ist, daß er sich in den Ansaugeinlaß erstreckt. Bei der zweiten Ausführungsform muß aber die Verbindung zwischen der Steuereinrichtung (Drosselklappe) und dem Hebel 42 bei dem Auseinanderbau der Brennkraftmaschine im Vergleich zu der Auslegung bei der ersten Ausführungsform gelöst werden.

Der hintere Rand des Flügels bei der zweiten Ausführungsform ist so gekrümmt, daß er in einem flachen bzw. ebenen Abschnitt endet, dessen Extrapolation sich zwischen dem abgefaßten bzw. abgeschrägten Kopf 48 des Einlaßventils und dem Ventilsitz 50 erstreckt (wenn das Einlaßventil in seiner Öffnungsstellung ist), um hierdurch eine gleichmäßige Strömung an dem Rand vorbei zu erreichen, um den im Querschnitt rechteckigen Strömungsfluß zwischen dem abgefaßten Kopf des Einlaßventils und dem Ventilsitz in die Brennkammer zu richten. In Kombination mit der Auslegung der Ansaugkanäle in bezug auf den Zylinder {siehe Fig. 3 bis 5) wird das Ladegemisch in die Brennkammertangential zur Zylinderwand und mit einer starken horizontalen Strömungskomponente eingeleitet, die zu einer starken Verwirbelung führt, die selbst am Ende des Kompressionshubs noch vorhanden ist.

Die Arbeitsweise der zweiten Ausführungsform entspricht derjenigen der ersten Ausführungsform un braucht daher nicht näher erläutert zu werden.

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In Fig. 7 ist eine dritte Ausfühnmgsf orm nach der Erfindung gezeigt. Bei dieser Ausführungsform hat die Brennkraftmaschine eine Kraftstoffeinspritzung und ist mit einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung 54 versehen, die derart angeordnet ist, daß sie Kraftstoff in Richtung auf den Kopf des Einlaßventils 22 und somit in die im Querschnitt rechteckige Strahlströmung ausgibt. Durch diese Auslegung v/ird die intensive Vermischung von Luft und eingespritztem Kraftstoff verstärkt, -wobei das Gemisch anschließend um die Achse des Zylinders verwirbelt v/ird. Ein stabiles Arbeiten der Brennkraftmaschine, insbesondere beim Anlassen bzw. Aufwärmen v/ird durch eine solche Auslegung gefördert. In dieser Figur ist mit 56 ein Auslaßkanal bezeichnet.

Bei allen zuvor beschriebenen Ausführungsformen kann'der hintere Rand des Flügels eine Krümmung oder Krümmungen haben, die eine laminare Strömung am Vorbeigang am Rand bewirkt und irgendwelche Wirbelströme weitgehend vermeidet, die dazu führen könnten, daß die Geschwindigkeit und die Effektivität der Strahlströmung herabgesetzt würden. Die Krümmung(en) muß selbstverständlich unter Berücksichtigung der Auslegung der Brennkraftmaschine und der Abmessungen des jeweiligen Ansaugkanals entsprechend ausgelegt sein.

Da nach der Erfindung eine starke Verwirbelung in der Brennkammer zum Zeitpunkt der Zündung des darin befindlichen Ladegemisches vorhanden ist, wird die Flammenausbreitungsgeschwindigkeit größer, verändert sich zum unteren Brenngrenzv/ert der Brennkraftmaschine,und/oder die Menge an rückgeführtem Abgas v/ird größer, so daß man Emissionen von NOx, CO und HC herabsetzen kann. Die starke Verwirbelung unterstützt in allen Fällen die stabile Verbrennung beim Starten bzw. beim Warmlaufen der Brennkraftmaschine infolge der sehr starken horizontalen Strömungskomponente, die man beim Stand der Technik bisher nicht hatte.

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Zusammengefaßt schafft die Erfindung eine Einrichtung, die eine Öffnung mit einem variablen Querschnitt stromauf der Brennkammer bildet, wobei die Öffnung eine Strahlströmung erzeugt, die eine starke Strömungskomponente in einer Ebene normal oder senkrecht zur Zj^linderachse hat. Dies in Verbindung mit der Einleitung des Stromes in den Zylinder tangential zur Wand des Zylinders ermöglicht eine starke Verwirbelung, die bis zum Ende des Kompressionshubs aufrechterhalten wird. Ferner ist die Querschnittsfläche der Öffnung in Abhängigkeit von den Ansaugmengen der Brennkraftmaschine variierbar, so daß man eine maximal mögliche Geschwindigkeit des Stroms aufrechterhalten kann, ohne daß man Ladungslexstungsverluste in Kauf nehmen muß. Die erzeugte starke Verwirbelung gestattet somit die Ausweitung in Richtung auf den unteren Brenngrenzwert und/oder die Zunahme des Toleranzbereichs bei der Abgasrückführung (EGR).

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Leerseite

Claims

PATEN TANWAL7 E A. GRÜNECKER

DlPL-ING.

H. KINKELDEY

DRlMl

W. STOCKMAIR

κ. SCHUMANN

DR RgR MAT- · DIPL-PKYS

P. H. JAKOB G. BEZOLD

DR RBl NAT· DIPU-CHEM.

8 MÜNCHEN 22

MAXlMlLlANSTFiASSE 4.3

NISSAN MOTOR GO., TiDD.

No. 2, Takara-cho, Kanagawa-ku

Yokohama City, Japan

Brennkraftmaschine mit einer Wirbelerzeugungseinrichtung

P 15747
2. Dezember 1980

PATENTANSPRÜCHE

/ 1y Brennkraftmaschine mit einer Wirbelerzeugungseinrichtung, die einen Zylinder mit einer Achse und einen Kolben hat, der in dem Zylinder gleitend beweglich ist, um eine Brennkammer mit variablem Volumen zu begrenzen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

einen Ansaugkanal (20), der von der Brennkammer (18) zur Umgebung führt und in bezug auf den Zylinder (12) derart ausgerichtet ist, daß das fluide durchgeleitete Ladegemisch in die Brennkammer (18) tangential zur Wand des Zylinders (12) derart eingeleitet wird, daß das Ladegemisch in die Brennkammer (18) eintritt und um die Zylinderachse verwirbelt wird,

ein Ventil (22), das die Fluidverbindung zwischen dem An-

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TELEFON (OSS) 33 9863 TELEX O0-30 38O TELEGRAMME MONAPAT TELEKOPIERER

ORIGINAL INSPECTED

saugkanal (20) und der Brennkammer (18) regelt, und eine Einrichtung, die in dem Ansaugkanal (20) angeordnet ist und eine Öffnung mit variablem Querschnitt begrenzt, die eine Form hat, die das einströmende Ladegemisch beschleunigt und dasselbe in eine Strahlströmumg umformt, wobei die Strömungskomponente in einer Ebene senkrecht zur Zylinderachse so groß wie möglich ist, um die Verwirbelung um die Zylinderachse zu verstärken.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung ein Flügel (26) ist, der eine rechteckige Gestalt hat und schwenkbar in dem Ansaugkanal (20) angebracht ist, und daß der Ansaugkanal (20) einen rechteckigen Querschnitt an der Lagerstelle des Flügels (26) hat, so daß die Öffnung mit variablem Querschnitt im wesentlichen rechteckig und länglich ist.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung auf die Ansaugmenge anspricht, um die Querschnittsfläche der Öffnung in Abhängigkeit von der in die Brennkraftmaschine eingesaugte Luftmenge zu vergrößern und eine Abnahme der Ladev/irkung der Brennkraftmaschine zu verhindern.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Drosselklappe (44) betriebsverbunden in dem Ansaugkanal (20) stromauf des Flügels (26) angeordnet ist, und daß der Flügel (26) mit der Drosselklappe (44) betriebsverbunden ist.
5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügel (26) einen gekrümmten Abschnitt am hinteren Rand (37) hat, um eine laminare Strömung des fluiden Ladegemisches an diesem Rand vorbei zu erreichen.

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6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil einen Kopf (43) und einen Sitz (50) aufweist, und daß der gekrümmte Abschnitt (37) in einem Rand endet, dessen Extrapolation zwischen dem Kopf (48) und dem Sitz (50) durchgeht, wenn das Ventil seine Öffnungsstellen einnimmt.
7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung (54) angeordnet ist, die Kraftstoff in den Ansaugkanal stromab der Einrichtung und in Richtung auf den Kopf des Ventils (22) einspritzt, so daß der Kraftstoff von der Strahlströmung mitgerissen wird.
8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügel (26) in eine im wesentlichen parallel zur Zylinderachse weisende Richtung schwenkbar ist und von dem Dreh- bzw. Schwenkpunkt zu der Brennkammer (18) verläuft.
9. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Zylinder mit einer Achse und einem Kolben, der in dem Zylinder gleitend beweglich ist, um eine Brennkammer mit variablem Volumen zu begrenzen, dadurch gekennzeichnet, daß:

ein Ladegemisch aus Luft oder ein Luft-Kraftstoffgemisch in die Brennkammer über einen Ansaugkanal eingeleitet wird, daß das Ladegemisch in diese Brennkammer in tangentialer Richtung zu der Wand des Zylinders eingeleitet wird, wodurch bewirkt wird, daß das Ladegemisch in der Brennkammer um die Zylinderachse verwirbelt wird, die Verbindung zwischen dem Ansaugkanal und der Brennkammer mit einem Ventil geregelt wird, und das Ladegemisch durch eine Öffnung mit variablem Quer-

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schnitt durchgeleitet wird, um somit das in der Ansaugleitung stromauf des Ventils strömende Ladegeinisch beschleunigt und in eine Strahlströmung umgewandelt wird, wobei die Strömungskomponente in einer Ebene senkrecht zur Zylinderachse so groß wie möglich ist, um die Stärke der Verwirbelung um die Zylinderachse zu verbessern.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der Öffnung in Abhängigkeit von der Ansaugmenge der Brennkraftmaschine verändert wird, um so die maximal mögliche Geschwindigkeit der Strahlströmung aufrecht zu erhalten ohne eine Einbuße bzw. Abnahme der Ladewirkung.

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