DE3718083A1

DE3718083A1 - Brennraum an einer kolben-brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3718083A1
Application number: DE19873718083
Authority: DE
Inventors: Hideki Tanaka
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1986-06-04
Filing date: 1987-05-29
Publication date: 1987-12-10
Also published as: DE3718083C2; US4770139A; JPS62284919A

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennraumgestaltung an einer Kolben-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Insbesondere befasst sich die Erfindung mit einem dachförmig gestalteten Brennraum einer Kolben- Brennkraftmaschine.

Um den Füllgrad zu verbessern und hierdurch die Aus gangsleistung der Maschine zu steigern, ist es bekannt, die Querschnittfläche der Einlaßöffnung od.dgl. zu vergrössern oder die Ventilanzahl zu erhöhen. Hierzu wird allgemein ein dachförmig ge stalteter Brennraum eingesetzt, weil er bei der Auswahl der Ventilflächen die weitestgehende Aus legungsfreiheit ermöglicht. Um die Verbrennung in dem dachförmigen Brennraum zu verbessern, ist bereits vorgeschlagen worden, die Kolbenoberseite mit einem Wulstansatz zu versehen, der an die Form des Brenn raumes angepasst ist, und außerdem in dem Wulst ansatz eine den Brennraum mitbestimmende Mulde aus zubilden. Hierdurch wird der Brennraum kompakt und zugleich wird zwischen dem Kolbenboden und den Dach flächen des dachförmigen Brennraumes eine Quetsch zone geschaffen (vgl. z.B. JP-GBM-OS 59 (1984)-96323). Eine derartige Brennraumausbildung ergibt jedoch die Schwierigkeit, daß an den gegenüberliegenden Endabschnitten der Dachkante, an der zwei Dachflächen ineinander übergehen, die Quetschströmung unzureichend ist und in diesen Ab schnitten unverbranntes Gemisch verbleibt, wodurch der HC- Anteil im Abgas erhöht wird. Dies liegt daran, daß die Enden der Kante des dachförmig gestalteten Brennraumes durch vertikale, in Bewegungsrichtung des Kolbens verlaufende Wandungen definiert sind und es schwierig ist, eine effektive Quetschströmung zwischen dem Kolben und den vertikalen Wandungen zu erzielen. Zwar lässt sich dieses Problem dadurch lösen, daß man die in dem Wulstteil des Kolbenbodens aus gebildete Mulde bis zu den Enden der Brennraumkante hinaus zieht. Dies ist jedoch von Nachteil, weil die unregelmässige Form der Mulde die Drallbildung im Brennraum nachteilig beeinflussen kann. Obwohl der Drall im Brennraum durch eine gezielte Anordnung der Einlaßöffnung begünstigt werden kann, besteht hierbei auch das weitere Problem, daß aufgrund des erhöhten Ansaugwiderstandes der Pumpverlust steigt und dadurch der Kraftstoffverbrauch erhöht und die Wirtschaftlichkeit beeinträchtigt wird.

Im Hinblick auf die vorstehenden Ausführungen liegt der Er findung die Hauptaufgabe zugrunde, eine dachförmige Brenn raumgestaltung vorzuschlagen, die einen kompakten Brennraum ohne gleichzeitige Erhöhung der HC-Komponente im Abgas er möglicht und außerdem für den Fall, daß eine Drallerzeugung in dem Brennraum erwünscht ist, einen ausreichenden Drall zu erzielen gestattet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Merkmale gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruches 1.

Die Erfindung sieht somit einen Brennraum vor, in dessen dachförmig gestaltete obere Wandfläche eine Einlaßöffnung mündet. Der zugehörige Kolben ist im Bereich des Kolben bodens mit einem Wulstansatz versehen, der in seiner Form dieser oberen Wandfläche angepasst ist, und im wesentlichen im Zentrum des Wulstansatzes ist ein erster Muldenabschnitt ausgebildet, der eine weitgehend halbkugelige Form hat. An gegenüberliegenden Seiten des ersten Muldenabschnittes erstreckt sich ein Paar von zweiten Muldenabschnitten zu den entsprechenden Enden des Wulstansatzes des Kolbens längs der Kante dieses Wulstansatzes und steht mit dem ersten Muldenabschnitt in Verbindung. Außerdem isteine Einrichtung zur Drallerzeugung vorgesehen, die im Brenn raum bei niedriger Maschinenlast einen Drall in der Ansaug luft erzeugt, und schließlich ist eine Zündkerze in der oberen Wandfläche so angeordnet, daß sie im wesentlichen dem Zentrum des ersten Muldenabschnittes gegenüberliegt.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevor zugter Ausführungsbeispiele anhand der beiliegenden Zeichnungen sowie aus den Unteransprüchen. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf den Kolbenboden eines Kolbens, der in einem erfindungsgemässen Brennraum zur An wendung kommt;

Fig. 2 einen Schnitt im Bereich des Zylinders des Zylinder kopfes mit einem erfindungsgemäß ausgestalteten Brenn raum;

Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf den Brennraum;

Fig. 4 eine Seitenansicht des Kolbens;

Fig. 5 eine Draufsicht auf eine gegenüber den Fig. 2 und 3 modifizierte Ausführung eines Brennraumes, und

Fig. 6 einen Schnitt im Bereich des Brennraumes durch die Ausführung gemäß Fig. 5.

Gemäß den Fig. 2 und 3 weist eine Brennkraftmaschine 1 einen Zylinderblock 2 und einen Zylinderkopf 3 auf, wobei in jedem Zylinder 4 der Brennkraftmaschine ein Kolben 5 aufge nommen ist. Über dem Kolben 5 ist ein Brennraum 6 ausge bildet. In diesen münden erste und zweite Einlaßöffnungen 7 bzw. 8 und es gehen davon erste und zweite Auslaßöffnungen 9 bzw. 10 aus. Die Einlaßöffnungen 7, 8 sind mit Einlaßventilen 11 ausgestattet (von denen nur eines für die erste Einlaß öffnung 7 gezeigt ist), während die Auslaßöffnungen 9, 10 Auslaßventile 12 aufweisen (von denen wiederum nur das Aus laßventil für die erste Auslaßöffnung 9 dargestellt ist). Die Einlaßventile 11 und die Auslaßventile 12 werden durch einen nicht gezeigten Ventiltrieb betätigt, um hierdurch die Einlaßöffnungen 7, 8 bzw. die Auslaßöffnungen 9, 10 zu vorbestimmten Steuerzeiten zu öffnen bzw. zu schließen.

Die Einlaßöffnungen 7, 8 stehen mit einer Ansaugleitung 13 in Verbindung, die im Zylinderkopf 3 durch eine Trennwand 14 in einen ersten Ansaugkanal 15 und einen zweiten Ansaug kanal 16 aufgeteilt ist. Die beiden Ansaugkanäle 15, 16 stehen mit der ersten bzw. zweiten Einlaßöffnung 7 bzw. 8 in Verbindung. In der Ansaugleitung 13 ist geringfügig stromauf von dem Verzweigungspunkt des ersten und zweiten Ansaugkanales 15 bzw. 16 eine Drosselklappe 17 angeordnet und es ist ein Niedriglast-Ansaugkanal 18 vorgesehen, der die Drosselklappe im Bypaß umgeht. Die Drosselklappe 17 verschließt in der Schließstellung bei Niedriglast der Maschine die Ansaugleitung 13 entweder vollkommen oder bis auf eine kleine Öffnung und wird bei hoher Last der Maschine in die Offenstellung verstellt. Das abströmseitige Ende 18 a des Niedriglast-Ansaugkanales 18 mündet in die erste Ein laßöffnung 7 und ist weitgehend tangential zum Zylinder 4 gerichtet.

In der Ansaugleitung 13 ist geringfügig stromaufwärts von der Trennwand 14 eine Kraftstoff-Einspritzdüse 19 ange ordnet. Diese ist so ausgebildet, daß sie Kraftstoff in Richtung auf beide Teil-Ansaugkanäle 15 und 16 einspritzt und daß der Einspritzwinkel R ₁ der Einspritzdüse 19 kleiner als der Winkel G ₂ ist, den die Ventilschäfte 11 a der Einlaßventile 11 einschließen (Fig. 3).

Der Brennraum 6 ist dachförmig und durch ein Paar von Dach flächen 20 im Zylinderkopf 3 definiert (Fig. 4). Der Kolben boden 5 a des Kolbens 5 ist zu einem Wulstansatz 21 geformt, der in seiner Form dem Brennraum 6 angepasst ist und eine Mulde 22 enthält. Die Mulde 22 umfasst einen ersten Mulden abschnitt 23, der weitgehend im Zentrum des Wulstansatzes 21 angeordnet ist (s. Fig. 1 und 4), sowie ein Paar von zweiten Muldenabschnitten 24, die jeweils an einer der gegen überliegenden Seiten des ersten Muldenabschnittes 23 liegen und von dort sich zu den zugehörigen Enden des Wulstan satzes 21 in Richtung der Kante des Brennraumes 6 erstrecken, längs der die Dachflächen 20 ineinander übergehen (Erstreckungs richtung X in Fig. 1). Die zweiten Muldenabschnitte 24 stehen mit dem ersten Muldenabschnitt 23 in Verbindung. Der erste Muldenabschnitt 23 hat im wesentlichen die Form einer Teil oder Halbkugel, während die zweiten Muldenabschnitte 24 Teil- oder Halbzylinderform aufweisen.

Mit dieser Ausbildung des Kolbens 5 wird der Brennraum 6 zu einem teil- oder halbkugeligen Brennraum, definiert durch den ersten Muldenabschnitt 23, sowie zu Unter-Brennräumen gestaltet, die durch die zweiten Muldenabschnitte 24 definiert sind und sich an gegenüberliegenden Seiten des Haupt-Brenn raumes zu den Enden des Brennraumes 6 in Kantenrichtung X hin erstrecken. Zwischen den Dachflächen 20 und dem Teil des Wulstansatzes 21 außerhalb der ersten und zweiten Mulden abschnitte 23 bzw. 24 ist eine Quetschzone 25 definiert.

Im wesentlichen im Zentrum des ersten Muldenabschnittes 23 ist eine Zündkerze 26 angeordnet.

Bei niedriger Maschinenlast ist die Drosselklappe 17 ge schlossen, so daß ein Luft/Kraftstoff-Gemisch in den Brenn raum 6 in der Hauptsache durch den Niedriglast-Ansaug kanal 18 gelangt, wodurch im Brennraum 6 ein Drall S des Gemisches erzeugt wird. Der Drall S wird innerhalb des teilkugeligen ersten Muldenabschnittes 23 während des Kompressionshubes aufrecht erhalten und zugleich wird in der Quetschzone 25 eine Quetschströmung T erzeugt. Das hat zur Folge, daß in dem ersten Muldenabschnitt 23 eine Gasströmung aufgrund des Dralles S und der Quetsch strömung T, in den zweiten Muldenabschnitten 24 hingegen eine Gasströmung aufgrund der Quetschströmung T erzeugt wird. Durch diese Gasströmung wird die Verbrennung im ersten Muldenabschnitt 23 verbessert und zugleich auch die Ver brennung in den zweiten Muldenabschnitten 24 begünstigt, so daß der Anteil an HC-Komponenten im Abgas verringert wird.

Da bei diesem besonderen Ausführungsbeispiel der Einspritz winkel R ₁ der Kraftstoff-Einspritzdüse kleiner als der von den Ventilschäften 11 a eingeschlossene Winkel R ₂ ist, lässt sich der von der Einspritzdüse 19 eingespritzte Kraftstoff konzentrieren und dadurch das in den Haupt- Brennraum (erster Muldenabschnitt 23) einströmende Gemisch relativ fett halten, wodurch die Zündung und Verbrennung aufgrund einer Art Schichtladung verbessert wird. Dabei wird vorzugsweise der Kraftstoff unmittelbar vor dem Öffnen der Einlaßventile 11 eingespritzt, um eine gleich förmige Verteilung des Gemisches im Brennraum zu erhalten. Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, daß die erste Einlaßöffnung 7 früher als die zweite Einlaßöffnung 8 freigegeben wird, um hierdurch zu bewirken, daß der Kraft stoff in Richtung des Dralles S mitgeschleppt wird.

Bei der modifizierten Ausführungsform gemäß den Fig. 5 und 6 hat die Einspritzdüse 19′ ein Paar von Düsenöffnungen, von denen eine zu dem ersten Teil-Ansaugkanal 15 und die andere zu dem zweiten Teil-Ansaugkanal 16 gerichtet ist. Die Mittelachse CL ₁ des Strahles, der in Richtung zu dem ersten Teil-Ansaugkanal 15 austritt, liegt innerhalb der innersten von denjenigen Linien, die die Düsenöffnung und die Punkte auf der Verschneidungslinie zwischen dem ersten Muldenabschnitt 23 und dem zweiten Muldenabschnitt 24 auf der entsprechenden Ansaugkanalseite verbinden. Ähnlich verläuft die Mittelachse CL ₂ des Strahles aus der zu dem zweiten Teil-Ansaugkanal 16 gerichteten Düsen öffnung innerhalb der innersten von denjenigen Linien, die die Düsenöffnung und die Punkte auf der Verschneidungs linie zwischen dem ersten Muldenabschnitt 23 und dem zweiten Muldenabschnitt 24 auf der Seite des zweiten Teil-Ansaugkanales 16 verbinden. Diese Anordnung ist im Hinblick auf eine dadurch erzielte Verbesserung der Ver brennung von Vorteil. Denn in dem zweiten Muldenabschnitt 24 ist der Dämpfungsgrad des Dralles relativ hoch, so daß demzufolge dort ein Verweilen des Gemisches eintreten kann, wodurch die Zerstäubung und Verflüchtigung des Kraft stoffes beeinträchtigt wird. Durch weitest mögliche Kon zentration des Kraftstoffes in dem Bereich des ersten Muldenabschnittes 23, in welchem der Drall leichter aufrecht erhalten wird, kann die Zerstäubung und Verflüchtigung des Kraftstoffes und hierdurch die Verbrennung im Brenn raum verbessert werden.

Claims

1. Brennraum für eine Kolben-Brennkraftmaschine, mit einer dachförmigen oberen Wandfläche, in welche mindestens ein Ansaugkanal mündet, mit einem zu einem Wulstansatz gestalteten Kolbenboden, der in seiner Form an die obere Wandfläche angepasst ist, und mit einer Einrichtung zur Drallerzeugung, die bei niedriger Maschinenlast in dem Ansaug gemisch einen Drall im Brennraum erzeugen kann, dadurch gekennzeichnet, daß im Zentrum des Wulstansatzes (21) des Kolben bodens ein im wesentlichen teil- oder halbkugel förmiger erster Muldenabschnitt (23) ausgebildet ist, daß sich von gegenüberliegenden Seiten des ersten Muldenabschnittes (23) jeweils ein zweiter Mulden abschnitt (24) zu dem zugeordneten Ende des Wulst ansatzes (21) längs der Wulstansatzkante erstreckt und mit dem ersten Muldenabschnitt (23) in Verbindung steht, und daß eine Zündkerze (26) in der oberen Wandfläche (20) im wesentlichen dem Zentrum des ersten Muldenabschnittes (23) gegenüberliegt.

2. Brennraum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Drallerzeugung einen in den Brennraum (6) mündenden Haupt-Ansaugkanal (13, 15, 16) zur Zuführung von Luft, ein Steuerventil (17) in dem Haupt-Ansaugkanal (13), das bei Niedriglast geschlossen und bei hoher Last geöffnet ist, und einen Hilfs-Ansaug kanal (18) aufweist, der von dem Haupt-Ansaugkanal (13) stromauf von dem Steuerventil (17) abzweigt und mit einem Abschnitt des Haupt-Ansaugkanales (13, 15, 16) nahe dem Brennraum (6) verbunden ist, und daß der Querschnitt des Hilfs-Ansaugkanal (18) kleiner als der Querschnitt des Haupt-Ansaugkanales (13, 15, 16) ist und der Hilfs- Ansaugkanal (18) im wesentlichen tangential zum Brenn raum (6) ausgerichtet ist.

3. Brennraum nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Haupt-Ansaugkanal (13) sich zu einem Paar von Teil- Ansaugkanälen (15, 16) stromabwärts von dem Steuerventil (17) verzweigt und daß die Teil-Ansaugkanäle (15, 16) getrennt in den Brennraum (6) münden, wobei der Hilfs- Ansaugkanal (18) mit einem Abschnitt eines der Teil- Ansaugkanäle (15, 16) nahe der Mündung in den Brennraum (6) verbunden ist.

4. Brennraum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kraftstoff-Einspritzdüse (19) mit ihrer Düsenöffnung in Richtung des Haupt-Ansaugkanales (13, 15, 16) stromab von dem Steuerventil (17) ausgerichtet ist und daß der Strahlwinkel (R ₁) der Einspritzdüse (19) kleiner als der Verzweigungswinkel der Teil-Ansaugkanäle (15, 16) ist.

5. Brennraum nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoff-Einspritzdüse (19) so gesteuert ist, daß sie unmittelbar vor dem Öffnungszeitpunkt der Einlaß ventile (11) Kraftstoff einspritzt.

6. Brennraum nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß das Einlaßventil (11) für den Teil ansaugkanal (15, 16), mit dem der Hilfs-Ansaugkanal (18) verbunden ist, so gesteuert ist, daß es früher als das Einlaßventil für den anderen Teil-Ansaugkanal (16, 15) öffnet.

7. Brennraum nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Einrichtung zur Drallerzeugung getrennt voneinander in einer der Dachflächen (20) des Brennraumes (6) nebeneinander mündende Ansaug kanäle (15, 16) aufweist und daß in dem einen der An saugkanäle (15, 16) ein Steuerventil (17) angeordnet ist, das bei niedriger Maschinenlast geschlossen und bei hoher Maschinenlast geöffnet wird.

8. Brennraum nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß eine Einspritzdüse (19) mit zwei Düsenöffnungen vorgesehen ist, von denen eine Düsen offnung auf einen Abschnitt des einen Ansaugkanales, stromab von dem Steuerventil (17), und die andere Düsen öffnung auf den anderen Ansaugkanal gerichtet ist.