DE4002406A1 - Gemischverdichtende brennkraftmaschine mit hilfsbrennkammer im zylinderkopf - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine gemischverdichtende fremdgezündete Brennkraftmaschine mit einer in einem Zylinderkopf befindlichen Hilfsbrennkammer, in der das Kraftstoff-Luft-Gemisch von einer Zündkerze gezündet wird, und einem Schußkanal, aus dem das ge­ zündete Gemisch als Strahl in einen Hauptbrennraum austritt, der von einem im Zylinder befindlichen Hubkolben und dem Zy­ linderkopf begrenzt wird.

Eine Brennkraftmaschine der gattungsgemäßen Bauart ist aus der DE-OS 38 07 841 bekannt. Dabei ist die Hilfsbrennkammer in der Weise ausgestaltet, daß das von einer Zündkerze gezündete Kraft­ stoff-Luft-Gemisch zu einer Bohrung hinverdichtet wird, aus der es als Zündstrahl in die Hauptbrennkammer austreten kann und das dort befindliche Gemisch zündet. Der Zündstrahl zerfließt mit sehr hoher Geschwindigkeit radial auf der Oberfläche des Kolbens und entfacht dort einen Flächenbrand, der eine Flammen­ front erzeugt, die unverbranntes Gemisch von der Kolbenober­ fläche und dem Randzonenbereich, in dem sich der Feuerstegspalt befindet, zur Kammerdecke hin komprimiert und verbrennt. Wäh­ rend des Zeitverzuges nach der Zündung muß der Kolben, um in OT-Stellung zu gelangen, gegen den Druck des im Hauptbrennraum brennenden, expandierenden Gases zusätzliche Leistung verrich­ ten. Dies verringert den idealen Wirkungsgrad der Brennkraft­ maschine.

Ein weiterer Nachteil besteht in der Überlagerung des Verdich­ tungsdrucks des Kolbens mit dem Expansionsdruck des brennenden Gases in dem Hauptbrennraum, durch die ein Druckanstieg er­ reicht wird, der zu sehr hohen Temperaturen führt. Dadurch wird die Bildung von Stickoxiden, die wesentlich an der Schadstoff­ zusammensetzung im Abgas beteiligt sind, verstärkt, zumal auch genügend Zeit zur NO_x-Bildung vorhanden ist, da sich der Kolben noch in der Aufwärtsbewegung zu OT befindet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Hilfsbrenn­ kammer der gattungsgemäßen Bauart so zu modifizieren, daß der Zündstrahl schneller und damit der Zeitverzug der Zündung klei­ ner wird.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merk­ male des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Voraussetzung für eine schnelle Verbrennung besteht in einer schnellen Zündung durch einen Zündstrahl mit starkem Impuls. Da die Entfachung einer Flammenfront bisher nicht zu den Geschwindigkeiten führt, die nötig sind um die Voraussetzung zu erfüllen, wird in der Er­ findung dazu der Effekt der rapiden Verpuffung ausgenutzt. Zur Verpuffung wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch schlagartig adiaba­ tisch komprimiert, so daß dabei Dichtewellen entstehen. Die Wellen besitzen neben Orten maximaler Dichte und damit höchster Temperatur Orte minimaler Dichte und niedrigster Temperatur und breiten sich mit Überschallgeschwindigkeit aus. Die gesamte am Gas geleistete Verdichtungsenergie wird somit auf bestimmte, eng begrenzte Bereiche der Wellen konzentriert, an denen in­ folge dessen die Energiedichte und damit die Temperatur örtlich stark erhöht wird. Durch die vorteilhafte Gestaltung der Brenn­ kammern als Resonanzkammern können die Dichtewellen, die von den Wänden reflektiert werden, soweit das Kraftstoff-Luft-Ge­ misch aufheizen, bis eine örtliche Selbstzündung eintritt.

Während des Beginns der Verdichtungsphase wird das Gemisch in die Hilfsbrennkammer hineinverdichtet. Um zu vermeiden, daß der Zündfunke durch das einströmende Gemisch ausgeblasen wird, ist in der Kammer nach Anspruch 3 eine Scheibe zur Abschirmung ein­ gesetzt, die so ausgebildet ist, daß ein Ringspalt zur angren­ zenden Hilfsbrennraumwand entsteht, der nach Anspruch 4 zwi­ schen 0,5 und 1 mm breit sein soll, und durch den das in der ersten oberen Kammer entflammte Gemisch beschleunigt und in die zweite Kammer geleitet wird. Damit die Entflammung in der er­ sten Kammer mit genügend großer Gemischmasse unterhalten wird, ist die Scheibe nach Anspruch 5 im Zentrum quasi als "Massen­ falle" für das aus dem vorangegangenen Arbeitstakt verbliebene Restgas muldenförmig zur Zündkerze hin ausgebildet. Zur wei­ teren Beschleunigung des in der zweiten Teilkammer verdichteten unverbrannten Gasgemisches dient nach Anspruch 2 eine Überström­ bohrung zur Resonanzkammer. Die Bohrung ist zu diesem Zweck nach Anspruch 7 zwischen 2 und 6 mm im Durchmesser dimensio­ niert. Eine weitere Bohrung, die als Schußkanal des Zündstrahls zum Hauptbrennraum führt, hat die geringe Durchmesserabmessung im Bereich von 2 und 4 mm, um nach der Verpuffung des Gemisches das brennende Gas zu beschleunigen und daraus einen Zündstrahl zu formen.

In der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung wird ein Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Zündkerze mit anschließendem Hilfsbrennraum, in dem sich eine Scheibe mit topfförmiger Ver­ tiefung befindet, der zudem eine Bohrung zu einer Resonanzkammer besitzt, welche mit einem Schuß­ kanal in den Hauptbrennraum eines Zylinders mit Hubkolben führt, im Querschnitt.

Ein in einem Zylinder 1 einer Brennkraftmaschine (nicht näher dargestellt) befindlicher Kolben 2 begrenzt mit einem Zylinder­ kopf 3 einen Hauptbrennraum 4. Bei der Bewegung zum oberen Tot­ punkt OT 5 verdichtet er ein während der Ansaugphase aufgenom­ menes Kraftstoff-Luft-Gemisch in einer im Zylinderkopf 3 ko­ axial zur Zylinderachse angeordneten Hilfsbrennkammer 6 durch eine Überströmbohrung 7 über eine Resonanzkammer 8, die mit der Hilfsbrennkammer 6 durch eine weitere Überströmbohrung 9 ver­ bunden ist. Sowohl beide Bohrungen 7 und 9 als auch die Reso­ nanzkammer 8 liegen koaxial zur Zylinderachse. An der Decke 10 der Hilfsbrennkammer 6 befindet sich die Zündvorrichtung 11 einer Zündkerze 12. Die Hilfsbrennkammer 6 wird durch eine Schei­ be 13, die ein topfförmiges Zentrum 14 mit der Öffnungsrichtung zur Zündkerze 12 aufweist, in zwei Teilkammern 15 und 16 ko­ axial zur Zylinderachse geteilt. Weiterhin ist die Scheibe 13 so gestaltet, daß zwischen ihrem Rand 17 und der Hilfsbrenn­ kammerwand 18 ein Ringspalt 19 besteht. Kurz bevor der Kolben 2 die Stellung OT 5 erreicht, zündet die Zündvorrichtung 11 der Zündkerze 12 das Kraftstoff-Luft-Gemisch in Teilkammer 15. Die Scheibe 13 dient dabei zur Kolbenseite als Schutz des Zünd­ funkens vor dem einströmenden Gemisch und mit ihrer topfför­ migen Ausgestaltung als Massenfalle für aus dem vorangegangenen Arbeitstakt verbliebenen Restgas. Durch den Ringspalt 19 wird das brennende Gasgemisch in die Teilkammer 16 beschleunigt. Die Flammenfront verdichtet dabei in der Teilkammer 16 das noch unverbrannte Gemisch von außen nach innen zur Überströmbohrung 9. Durch die Bohrung 9 wird dieses in die Resonanzkammer 8 wei­ ter beschleunigt, wobei die Überströmbohrung 7 wegen ihres klei­ nen Durchmessers als Drossel gegenüber dem Gemisch fungiert. Durch brennende Gasteilchen, die aus der Teilkammer 16 über­ strömen, breitet sich an den Wänden 20 der Resonanzkammer 8 eine Flammenfront aus, die das in der Resonanzkammer 8 befind­ liche unverbrannte Gemisch noch weiter verdichtet. Durch diese extreme Verdichtung werden Druck- bzw. Dichtewellen verursacht, die von den Wänden 20 der Kammer 8 reflektiert werden und sich zwischen der Teilkammer 16 und der Resonanzkammer 8 mit Über­ schallgeschwindigkeit hin und her bewegen und in Resonanz ste­ hen. Aufgrund der starken Erhitzung, die aus dem Aufschaukeln des Druckes resultiert, entzündet sich das Gemisch spontan. Das entflammte Gas expandiert mit ungeheurem Druck und wird zur Überströmbohrung 7 hin verdichtet. Diese als Schußkanal bezeich­ nete Bohrung 7 formt aus der Entflammung einen Strahl, der die Zündung des in den Hauptbrennraum 4 befindlichen Kraftstoff- Luft-Gemisches bewirkt, und beschleunigt diesen. Der Zünd­ strahl, der mit hohem Impuls am Boden 21 des fast im gleichen Moment der Fremdzündung bei OT 5 angekommenen Kolbens 2 entlang schießt und dort einen Flächenbrand verursacht, bringt das Ge­ misch so rasch zur Entflammung, daß es vollständig verbrennen kann, bevor sich der Kolben 2 aus OT 5 wegbewegt.

Claims (8)

1. Gemischverdichtende fremdgezündete Brennkraftmaschine mit einer in einem Zylinderkopf befindlichen Hilfsbrennkammer, in der das Kraftstoff-Luft-Gemisch von einer Zündkerze gezündet wird, und einem Schußkanal, aus dem das gezündete Gemisch als Strahl in einen Hauptbrennraum austritt, der von einem im Zy­ linder befindlichen Hubkolben und dem Zylinderkopf begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Hilfsbrennkammer (6) und Schußkanal (7) eine Re­ sonanzkammer (8) angeordnet ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzkammer (8) durch eine Überströmbohrung (9) mit der Hilfsbrennkammer (6) verbunden ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Hilfsbrennkammer (6) eine zur Zylinderachse koaxiale Scheibe (13) eingesetzt ist, die zur Hilfsbrennkammerwand (18) hin einen Ringspalt (19) offen läßt und die Hilfsbrennkammer (6) in zwei Teilkammern (15, 16) trennt, von denen die untere Kammer (16) zusätzlich als Resonanzkammer ausgebildet ist.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringspalt (19) eine Breite zwischen 0,5 und 1 mm auf­ weist.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrum (14) der Scheibe (13) zur Zündkerze (12) hin eine muldenförmige Vertiefung aufweist.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkammern (15, 16) Volumina von 1-5% des Haupt­ brennraumvolumens aufweisen.

7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Überströmbohrung (9) einen Durchmesser zwischen 2 und 6 mm besitzt.

8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schußkanal (7) mit einem Durchmesser von 2 bis 4 mm ausgebildet ist.