DE3116638C2 - Unterteilte Brennkammer für Motoren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine unterteilte Brennkammer für Verbrennungsmotoren mit Kompressions- oder Funkenzündung, wobei die Gemischhomogenisierung (Luft-Kraftstoff) verbessert und die gesteuerte Luftbewegung in der Einlaß-Kompressions- und Brennphase verstärkt wird. Die Unterteilung des Brennraumes in zwei Kammern wird dadurch erreicht, daß sich bei Annäherung des Kolbens an ein koaxial zu diesem mit dem Zylinderkopf fest verbundenes Teil, welches die Form eines Wälzkörpers aufweist und an seiner Außenseite Fortsätze im Bereich der Einlaßventile trägt, ein ringförmiger Kanal zwischen den beiden Brennkammern bildet, wobei der Querschnitt des Kanals die Kontur einer konvergierend-divergierenden Düse (Diffusor) hat. Durch die erwähnten Fortsätze im Bereich der Einlaßventile wird vorteilhafterweise sowohl eine zum Zylinder tangentiale Einleitung der Ansaugströmung erzielt, als auch eine Verstärkung der gesteuerten Luftbewegung gegen Ende des Kompressionstaktes erreicht und ebenso die Verbrennung durch eine vorteilhafte Kinetik der Flammenkerne verbessert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine unterteilte Brennkammer, für Motoren mit Kompressionszündung «o oder Motoren mit Funkenzündung, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, gemäß DE-PS 1 36 045.

Man kennt Motoren mit unterteilten Brennräumen, bei denen eine Nebenkammer dann entsteht, wenn der Kolben sich dem oberen Totpunkt nähert. In diesen -*5 Raum spritzt man den Brennstoff, so daß ein sehr reiches Gemisch entsteht, das die Entstehung der Flammenkerne begünstigt. Nach der Entstehung der Flammenkerne wird das Gemisch, bestehend aus Luft, Gas und Brennstoff, in die Hauptkammer gedrückt, wo die gesteuerte Bewegung der Luft, und dadurch auch die Homogenität des Gemisches, verstärkt wird.

Diese unterteilten Brennräume gemäß dem Stand der Technik haben aber den Nachteil, daß während der Ein- und Auslaßphasen (Spülung) die Spülung der erwähnten Nebenkammer — sie wird durch die unterteilte Brennkammer gebildet — mit Frischluft nicht ebenfalls gesichert ist, so daß die Konzentration an Abgasen in dem Raum groß bleibt und den Brennprozeß des folgenden Zyklus ungünstig beeinflußt.

Außerdem findet die Verstärkung der gesteuerten Luftbewegung lediglich beim Verdichtungshub statt, jedoch nicht beim Ansaughub. Der Drosseleffekt der Luft, der zum Ende des Verdichtungshubes und während des Übergangs der Flammenfront aus der Nebenkam- ^b5 mer in die Hauptkammer auftritt, erstreckt sich bei Brennkammern gemäß dem Stand der Technik nur über eine sehr kurze Zeit, so daß keine gründliche Verbesserung des Gemisches (Luft, Gas, Brennstoff) im Brennraum stattfindet.

Man kennt ^auch Brennräume, bei "denen die Homogenität der gesteuerten Luftbewegung beim Einlaß durch Einführung des Luftstromes in tangentialer Richtung am Zylinderumfang erzielt wird,-indem man entsprechend geformte. Ventile oder tangential angeordnete Einlaßkanäle vorsieht Diese Baulösungen haben den Nachteil, daß durch solche Maßnahmen an den Ventilen verhältnismäßig große Trägheitskräfte auftreten sowie durch die strömungsdynamischen Widerstände eine Abnahme des Füllgrades verursacht wird.

Aus der DE-PS 1 36 045 ist ein Motor mit unterteilter Brennkammer bekannt, die aus einer Haupt- und Nebenkammer besteht Die eine der beiden Kammern befindet sich zwischen dem Zylinderkopf und einer von diesem über Fortsätze in den Brennraum ragenden Kugel, so daß zwischen Haupt- und Nebenkammer ein ringförmiger Kanal mit konvergierend-divergierendem Querschnitt besieht Diese Anordnung ist jedoch in verschiedener Hinsicht nachteilig. Zum einen wird durch die Anordnung einer konstanten Nebenkammer eine ungleichmäßige Dichte des Gemisches während der Kompressionsphase bewirkt, zum anderen begünstigt der fortwährende Kontakt zwischen Kugel und Zylinderkopf das Kracken des Kraftstoffes, also die Rauchbildung. Darüber hinaus ist bei dieser Anordnung die Spülung mit Frischgasen schlecht

Aus der CH-PS 1 33 294 ist ein Motor bekannt bei dem am Zylinderkopf Fortsätze im Bereich der Einlaßventile vorgesehen sind, die eine Verstärkung der gesteuerten Luftbewegung beim Ansaughub bewirken sollen. Zum einen führt jedoch die durch diese Anordnung erzielte Steuerung der Luftbewegung nur zu einer geringen Verbesserung des Wirkungsgrades, zum anderen müssen die Fortsätze außerordentlich kompliziert und zwar am Umfang einer zylindrischen Ausnehmung im Zylinderkopf beköstigt werden.

Ausgehend vom oben genannten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkammer so auszugestalten, daß die Gemischbildung aus Luft- und Brennstoff verbessert, die gesteuerte Luftbewegung in der Einlaß-, Kompressions- und Brennphase verstärkt sowie die mechanische Arbeit während der Kompressionsphase verringert wird.

Diese Aufgabe wird durch eine Brennkammer nach dem Hauptanspruch gelöst, bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus dem Unteranspruch und den nachfolgenden Ausführungsbeispielen.

Die oben beschriebene unterteilte Brennkammer sntsteht dann, wenn sich der Kolben dem oberen Totpunkt nähert und zwar durch ein oberes Teil, das in konkaver Form koaxial zur Zylinderachse in den Zylinderkopf eingebaut ist Die Teilungszone zwischen den beiden Räumen bildet einen ringförmigen Verbindungskanal. Dieser stellt eine konvergierend-divergierende Luftdüse dar, durch die beim Verdichtungshub die gesteuerte Luftbewegung verursacht von einigen Fortsätzen am äußeren Rand der oberen Halbkammer, gedämpft wird. Die Luft wird in das Innere der Nebenbrennkammer gepreßt, wobei ihre Bewegung von neuem verstärkt wird. Gleich nach Erscheinen der Flammenkerne werden Gasgemisch, Luft und Brennstoff, in die Hauptbrennkammer abgedrängt. Ebenso wird durch die Vorrichtung eine Verstärkung der gesteuerten Luftbewegung beim Ansaughub, sowie eine veränderte Dauer der Abdrängung des Luftgemisches

(Brennstoff und Gas) erzielt. Auch der Zykluswirkungsgrad wird durch die Verringerung der mechanischen Arbeit während der Kompressionsphase vergrößert

Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung, wie sie vorzugsweise bei aufgeladenen Motoren verwendet wird, wird im folgenden anhand der F i g. 1 bis 4 erläutert Es zeigt

F i g. 1 Längsschnitt durch einen Zylinder des Motors auf Höhe des Brennraumes,

F i g. 2 Querschnitt durch den Motor in der SchnittebeneA-/4ausFig. 1,

F i g. 3 Aufsicht auf die obere Halbkammer aus Richtung des Pfeiles Caus F i g. 2,

Fig. 4 Querschnitt durcn den engsten Bereich .des ringförmigen Kanals zwischen den zwei Halbräumen entlang der Linien B-B aus F i g. 1.

Die in den F i g. 1 bis 4 dargestellte unterteilte Brennkammer besteht aus einer Hauptkammer 6, die die Form eines Wälzkörpers aufweist und in den Kopf eines Kolbens 1 eingebaut ist sowie aus einer Nebenkammer c, die sich durch Teilung der Hauptkammer b dann ergibt, wenn der Kolben sich der. oberen Totpunkt nähert Diese Unterteilung ergibt sich durch ein Teil 2, welches die Form eines konkaven Wälzkörpers besitzt und mit dem Zylinderkopf 3 koaxial zur Zylinderachse verbunden, vorzugsweise in diesen eingeschraubt ist. Das Teil 2 trägt vorzugsweise im Bereich der Einlaßventile 4 auf seiner Außenfläche einige Fortsätze d, welche beim Ansaughub eine zum Zyh'nder tangentiale Steuerung der Einlaßluft bewirken.

Bei einer der vorzugsweisen Ausführungsformen wird in das Teil 2 koaxial zum Kolben 1 eine Einspritzdüse 5 eingebaut

Die durch die hier beschriebene unterteilte Brennkammer verstärkte gesteuerte Bewegung der Luft beim Ansaughub führt zu einer Verbesserung der Gemischhomogenität (Luft-Brennstoff). Die Luft, die beim Öffnen des Einlaßventils 4 einströmt, wird tangential zum Zylinderumfang von den Fortsätzen d auf dem Umfang des T-iils 2 gesteuert. Aus dem Zusammenwirken der Fortsätze d und der Ventile 4 ergeben sich schlitzförmige Ventilöffnungen, welche folglich die gleichen Vorteile wie entsprechend geformte Ventile (gemäß dem Stand der Technik) aufweisen, ohne jedoch die Ventile durch zusätzliche Massen zu belasten.

Wenn sich der Kolben 1 dem oberec Totpunkt nähen, entsteht zwischen dem Raum b des Kolbens und dem Teil 2 ein ringförmiger Kanal e, der entsprechend einer konvergierend-divergierenden Luftdüse geformt ist Dieser Kanal bildet die Verbindung zwischen der Haisptkarnmer b und der Nebenkammer α Gemäß dem Ausführungsbeispiel liegt die Ebene, auf der sich der ringförmige Verbindungskanal e befindet in einer Entfernung von V₃ bis V3 χ der Höhe a über dem Boden /des Brennraumes.

Der Verbindungskanal e verstärkt die gesteuerte Bewegung der Luft gegen Ende des Verdichtungshubes, wobei sein konvergierend-divergierendes Profil die Strömungsverluste während der Verdichtung ebenso wie auch bei Abdrängung der Flammenfront h verkleinert

Dadurch, daß der Verbindungskanal e progressiv nur im Bereich des inneren Totpunktes entsteht verringert sich auch — neben den strömungsdynamischen Verlusten — die mechanische Verdichtungsarbeit wodurch der Wirkungsgrad des Motors steigt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Brennkammer wird die Einspritzdüse 5 so ausgelegt daß die Geometrie des BrennstofLirahles der der eingeteilten Brennkammer entspricht Dadurch wird eine gute »Abformung« an die inneren Wände des Teils 2 gesichert so daß sich im Bereich des Kanals e ein reicheres Gemisch bildet. Durch die Anordnung des ringförmigen Kanals e gemäß den Patentansprüchen wird das angereicherte Gemisch aus dieser Zone frühzeitig in die mit Luft gefüllte Hauptkammer abgedrängt, wodurch Zündung und Verbrennung des Kraftstoffes begünstigt werden. Der minimale Durchlaßbereich des ringförmigen Kanales e hat den Wert von I bis 4mal dem Radialspiel zwischen Kolben und Zylinder (gemessen beim kalten Motor).

In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform wird die Brennkammer bei Motoren mit Funkenzündung angewandt. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird eine Verkürzung der Brenndauer erreicht und zwar einerseits durch die Erhöhung der mittleren Geschwindigkeit der Flammenausbreitung und andererseits durch die Verkürzung des Weges, den die Flammenfront zurücklegen muß. Es wird somit nicht nur eine Erhöhung des Wirkungsgrades erzielt, sondern auch eine Verringerung des Kraftstoffverbrauches durch eine vollständigere Verbrennung erreicht Ebenso wird durch die gesteigerte Homogenität des Gemisches (Luft-Brennstoff) der Betrieb mit schweren Kraftstoffen ermöglicht

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Unterteilte Brennkammer für Motoren mit !Compressions- oder Funkenzündung, bestehend aus einer Haupt- und einer Nebenkammer, die durch einen ringförmigen Kanal mit einem Querschnitt getrennt sind, der das Profil einer konvergierend-divergierenden Düse aufweist, wobei die Haupt- und die Nebenkammer durch einen in den Brennraum hineinragenden, zur Kolbenachse koaxialen Wälz- >o körper mit Fortsätzen gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Kanal (^.zwischen dem Boden des Kolbens (1) und dem in den Brennraum hineinragenden und zum Kolben (1) hin offenen konkaven Wälzkörper (2) so angeordnet is ist, daß sich Profil und Querschnitt des Ringkanales (e) bei Annäherung des Kolbens (1) an den oberen Totpunkt verringern, wobei die obere Hälfte der Nebenkammer (c) durch die konkave Höhlung des Wälzkörpers (2), die untere Hälfte durch den» Kolbenboden gebildet ist, und wobei der Wälzkörper (2) die Fortsätze (d) auf seiner Außenseite trägt, und die Fortsätze (d)so im Bereich der Einlaßventile (4) angeordnet sind, daß die Einlaßluft beim Ansaughub eine zum Zylinder tangentiale Steuerung erfährt

2. Unterteilte Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene auf welcher der ringförmige Kanal (e) zwischen Hauptbrennkammer (b) und Nebenbrennkammer (c) liegt, in einem Abfand vom tiefsten Punkt der Oberfläche des Kolbens (2) von ein D"uel bis zwei Drittel mal dem axialen Abstand (a) des Brennraumbodens (f) vom Wälzkörper (2) tiegc

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