DE68912513T2

DE68912513T2 - Wärmeisolierte Brennkraftmaschine mit Wirbelkammer.

Info

Publication number: DE68912513T2
Application number: DE68912513T
Authority: DE
Inventors: Hideo Kawamura
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1988-10-28
Filing date: 1989-10-27
Publication date: 1994-06-09
Anticipated expiration: 2009-10-28
Also published as: EP0366490B1; DE366490T1; EP0366490A2; JPH02119616A; JPH086587B2; US5054443A; EP0366490A3; DE68912513D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen wärmeisolierten Motor mit Wirbelkammer, der Hauptverbrennungskammer und Wirbelkammern in einem Verbrennungsmotor aufweist.
Als Stand der Technik ist ein wärmeisolierter Aufbau einer Wirbelkammer in einem Verbrennungsmotor in der japanischen Gebrauchmuster-offenlegungsschrift Nr. 59-21024 beschrieben, auf die sich die Erfinder beziehen. Die Wirbelkammer besteht aus einer Strömungs-Verwirbelungskammer in einem Zylinderkopf, die gesamte Verbrennungskammer der Wirbelströmungs-Verbrennungskammer besteht aus Keramikmaterial und gleichzeitig ist eine Luftschicht in einem beträchtlichen Teil eines eingepaßten Abschnitts zwischen der Verbrennungskammer und dem Zylinderkapf aus Keramikmaterial gebildet, ein einer Zylinderseite gegenüberliegendes Ende an einem eingepaßten Teil zwischen der Verbrennungskammer umd dem Zylinderkopf ist durch ein Dichtungsorgan gasdicht abgedichtet und ein Einsatzteil zwischen der Verbrennungskammer und ihrer eingesetzten Einheit ist mit dem Dichtungsorgan gasdicht abgedichtet.
Ein Wirbelkammeraufbau eines Verbrennungsmotors, insbesondere ein Wirbelkammeraufbau, der durch ein Wirbelkammer-Keramikmaterial gebildet ist und einen verbesserten thermischen Wirkungsgrad des Motors, eine verbesserte Wärmebeständigkeit und eine verbesserte Haltbarkeit der Wirbelkaminer zeigt, ist z.B. in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 61-123,714 beschrieben. Der Wirbelkammeraufbau eines Verbrennungsmotors, der in der genannten Druckschrift beschrieben ist, besteht aus einem oberen Keramikkörper und einem unteren Keramikkörper, der an den oberen Keramikkörper angepaßt ist, wobei ein Metallring an den Außenumfängen des oberen Keramikkörpers und des unteren Keramikkörpers angebracht ist und die innere Umfangsfläche des Rings, welche den angepaßten Flächen des oberen Keramikkörpers und des unteren Keramikkörpers entspricht, mit einem ringförmig eingezogenen Teil versehen ist.
Ferner ist die Wirbelkammer eines Verbrennungsmotors, deren innere Umfangsfläche aus Keramikmaterial gebildet ist, z.B. in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 60-212,614 beschrieben. Die Wirbelkammer des Verbrennungsmotors gemäß der oben genannten Druckschrift ist so ausgebaut, daß ein Einsatzteil mit Verbindungsöffnungen zwischen der Kammer, die einen Teil eines im wesentlichen halbkugelförmigen Hohlkörpers darstellt, und der Hauptkammer jeweils aus Keramikmaterial hergestellt ist. Das Keramikmaterial am Kammerteil, der aus wärmeisolierender Keramik besteht, ist mit Metall vergossen, und gleichzeitig wird das Gußmetall mit einem zylindrischen vorstehenden Teil versehen, und der keramische Einsatzteil aus wärmebeständiger Keramik ist auf die Innenseite des Vorsprungs aufgeschrumpft. Ferner ist eine wärmeisolierende Schicht teilweise zwischen dem inneren Teil des zylindrischen Vorsprungs und der Keramik des Einsatzteils angeordnet.
Im allgemeinen kann bei der Verbrennung in einem wärmeisolierten Motor die Wärmeenergie aus der Verbrennungskammer infolge des wärmeisolierenden Aufbaus des Motors nicht abgeleitet werden, was dazu führt, daß die Wandfläche der Verbrennungskammer hohe Temperatur aufweist, der Wirkungsgrad des angesaugten Gases sich verschlechtert und die Verbrennungsgeschwindigkeit sich ebenfalls verschlechtert. Was den verschlechterten Wirkungsgrad des angesaugten Gases betrifft, so beruht die Ursache darin, daß die angesaugte Luft Wärme aus der Wandfläche der Verbrennungskammer aufnimmt und nur schwer in die Verbrennungskammer einströmt. Es besteht das Problem, wie die Verbrennungskammer derart aufgebaut werden kann, daß die Ansaugluft nicht Wärme aus der Wandfläche der Verbrennungskammer oder der Wandfläche des Ansaug- oder Einlaßkanals aufnimmt, um eine Verminderung des Wirkungsgrades des angesaugten Gases zu verhindern. Die Verschlechterung der Verbrennungsgeschwindigkeit wird durch einen übermäßigen Temperaturanstieg der Ansaugluft und eine verkürzte Zündverzögerungszeit des Kraftstoffs verursacht. Um daher jegliche Verschlechterung der Verbrennungsgeschwindigkeit zu verhindern, besteht das Problem, wie die Temperaturerhöhung der Ansaugluft eingeschränkt und die Zündverzögerungszeit des Kraftstoffs auf eine bevorzugte Zeitspanne eingestellt werden kann. Ferner besteht das Prinzip, daß eine Hochtemperaturverbrennung von Kraftstoff die Menge an Abgasen, wie Rauch und NOx und dergl., verringern kann, indem das Luftüberschußverhältnis auf 2 bis 1,5 eingeschränkt wird, wodurch eine Hochtemperaturverbrennung des Gasgemisches erfolgt, ohne daß ein schnelles Magerwerden des Gemisches und eine schnelle Temperaturabsenkung desselben beim Absteigen des Kolbens durchgeführt wird.
Ein Motor, in dem eine Haupt- und Vorverbrennungskammer an verschiedenen Stellen des Motortaktes getrennt werden, um die Verbrennungseigenschaften zu verbessern, ist in US-A-4300497 beschrieben. Das Trennventil ist so betätigbar, daß es die Kammern vom Beginn des Auslaßhubes bis nahe dem Ende des Verbrennungshubes trennt.
Die vorliegende Erfindung sucht die oben erwähnten Prinzipien zu verwirklichen und eine Verschlechterung des Ansaug-Wirkungsgrades in einem wärmeisolierten Motor sowie eine Verschlechterung der Verbrennungsgeschwindigkeit auszuschalten und ferner einen wärmeisolierten Motor mit Wirbelkammern zu schaffen, bei dem die Hauptverbrennungskammern und die Wirbelkammern die Funktion des Speicherns und Isolierens von Wärme haben, wobei Steuerventile vorgesehen sind, welche den Verbindungszustand zwischen den Hauptverbrennungskammern und den Wirbelkammern abschirmen können, die Betätigung jedes der Steuerventile in dem für ihre Öffnung und Schließung am meisten bevorzugten Zeitpunkt gesteuert wird, um jede Verschlechterung des Wirkungsgrades des angesaugten Gases zu verhindern, jede Verschlechterung der Verbrennungsgeschwindigkeit zu verhindern, die Verbrennungszeit in einem raucherzeugenden Temperaturbereich infolge der Wärmespeicherungsanordnung der Wirbelkammern zu verkürzen, eine Hochtemperaturverbrennung durchzuführen und das Auftreten jeglichen Rauches einzuschränken, die Verringerung des Wirkungsgrades des angesaugten Gases für die Hauptverbrennungskammern zu verhindern, die Verbrennung in einem NOx-erzeugenden Temperaturbereich zu vermeiden und das Auftreten von NOx zu verringern.
Die Erfindung sucht ferner einen solchen Aufbau der Wirbelkammer vorzusehen, daß ein besserer Wirbel für die in die Wirbelkammer geblasene Luft erzeugt und der wärmeansammelnde Aufbau weiter verbessert wird.
Demgemäß schafft die Erfindung einen wärmeisolierten Verbrennungsmotor mit Wirbelkammer, welcher aufweist:
einen Zylinderblock, der Zylinder enthält;
Zylinderlaufbüchsen, die in die Zylinder eingepaßt sind;
einen Zylinderkopf, der mit einer unteren Zylinderkopffläche am Zylinderblock befestigt und mit Einlaß- und Auslaßkanälen versehen ist;
Einlaß- und Auslaßventile, die jeweils in den Einlaß- und Auslaßkanälen angeordnet sind;
Kolben, die mit Kolbenköpfen versehen und innerhalb der Zylinderlaufbüchsen hin und her bewegbar sind;
Hauptverbrennungskammern, die von den Zylinderlaufbüchsen, der unteren Zylinderkopffläche des Zylinderkopfes und den Kolbenköpfen gebildet sind;
Wirbelkammern, die im Zylinderkopf ausgebildet sind und durch wärmeisolierende Wandteile begrenzt sind;
Kraftstoffeinspritzdüsen mit Einspritzöffnungen, die in die jeweiligen Wirbelkammern münden;
Verbindungsöffnungen, die im Zylinderkopf ausgebildet und durch die wärmeisolierenden Wandteile begrenzt sind und die Wirbelkammern mit entsprechenden Hauptverbrennungskammern verbinden; und
Steuerventile zum Öffnen oder Schließen der Verbindungsöffnungen;
wobei der wärmeisolierte Verbrennungsmotor so ausgelegt ist, daß bei Betrieb die Verbindungsöffnungen durch Betätigung der Steuerventile geschlossen werden, um die Verbindung zwischen den Wirbelkammern und den Hauptverbrennungskammern nahe dem Ende eines Auslaßhubes zu unterbrechen, wodurch Restgas in den Wirbelkammern reduziert wird, die Verbindungsöffnungen durch die Steuerventile während eines Einlaßhubes geschlossen gehalten werden, um die Unterbrechung der Verbindung zwischen den Wirbelkammern und den Hauptverbrennungskammern aufrechtzuerhalten und dadurch eine Erhitzung der Einlaßluft durch die Wärme aus den Wirbelkammern, die erhitzt worden sind, zu unterdrücken, und wobei die Verbindungsöffnungen zur Betätigung der Steuerventile nahe dem Ende des Kompressionshubes derart geöffnet werden, daß die Ansaugluft schnell aus den Hauptverbrennungskammern über die Verbindungsöffnungen in die Wirbelkammern geleitet wird, durch die Wärme aus den Wandflächen der Wirbelkammern ausgedehnt wird und nach dem Vermischen mit dem aus den Kraftstoffeinspritzdüsen eingespritzten Kraftstoff bei einer hohen Temperatur verbrannt wird, und wobei der Verbrennungszyklus sodann in einen Auslaßhub übergeht.
Ferner sind die Ventilschäfte der Steuerventile so ausgelegt, daß sie durch die wärmeisolierenden Wandteile verlaufen, welche die Verbindungsöffnungen begrenzen, wobei die Ventilschäfte der Steuerventile im Abstand von den Wirbelkammern angeordnet sind, wodurch ein Wärmeeinfluß der Wirbelkammern bezüglich der Ventilschäfte der Steuerventile eingeschränkt ist und die Gleiteigenschaft der Steuerventile verbessert wird.
Die Steuerung der Ventile ermöglicht, daß die Verbrennung größtenteils in den Wirbelkammern bei Öffnungs- oder Schließsteuerung der Steuerventile durchgeführt wird, eine Wärmeabstrahlung durch wärmeisolierte Wandkörper der Wirbelkammern abgeschirmt wird, um den Betrag der Wärmeabstrahlung zu reduzieren, ein Verbindungszustand zwischen den Hauptverbrennungskammern und den Wirbelkammern durch die Steuerventile während eines Einlaßhubes abgeschirmt wird, ein Einfluß eines Hochtemperaturteils der Wirbelkammern bezüglich der angesaugten Luft abgeschirmt wird, eine Wärmeaufnahme der Ansaugluft eingeschränkt wird, eine Wärmeausdehnung der Ansaugluft eingeschränkt wird, um eine Verringerung des Wirkungsgrades des angesaugten Gases zu verhindern, die Steuerventile nahe dem Ende eines Kompressionshubes freigegeben werden, um eine schnelle Strömung der Ansaugluft in die Wirbelkammern vorzusehen, und in diesem Zeitpunkt die Ansaugluft Wärme aus den Wandflächen der Wirbelkammern und den Verbindungsöffnungen und dem Verbrennungsgas aufnimmt, ihre Temperatur innerhalb einer kurzen Zeitspanne in den Wirbelkammern erhöht wird und gleichzeitig eine Vermischung des aus den Kraftstoffeinspritzdüsen eingespritzten Kraftstoffes mit der Luft schnell durchgeführt wird, um plötzlich eine Anreicherung des Kraftstoffverhältnisses zu ermöglichen. Sodann wird eine Verbrennung in einem raucherzeugenden Temperaturbereich, der durch ein Kraftstoffverhältnis zwischen Kraftstoff und Luft und einer Verbrennungstemperatur zu definieren ist, plötzlich unterbrochen, um eine Hochtemperaturverbrennung ohne jegliche Raucherzeugung durchzuführen, dann, obwohl das Gemisch von den Wirbelkammern zu den Hauptverbrennungskammern als Wirbel strömt, nimmt es nicht den Wärmeeinfluß der Wirbelkammern auf, so daß eine Temperatur der Hauptverbrennungskammern weitgehend von der Ansaugluft abhängt, was dazu führt, daß der Wirkungsgrad der Ansaugluft nicht verringert wird, sondern verbessert, so daß das Kraftstoffverhältnis rasch absinkt und zur gleichen Zeit die Verbrennungstemperatur ebenfalls verringert wird und die Verbrennung in einem NOx- erzeugenden Temperaturbereich, bestimmt durch ein Kraftstoffverhältnis und eine Verbrennungstemperatur, vermieden werden kann. So kann diese Art von wärmeisoliertem Verbrennungsmotor mit Wirbelkammer jegliche Erzeugung von Rauch und NOx in den Wirbelkammern und den Hauptverbrennungskammern verhindern.
Vorzugsweise sind die Steuerventile so ausgelegt, daß sie die Verbindungsöffnungen schließen, wenn der Auslaßdruck bei einem Kurbelwinkel von 40º bis 50º vor einer dem oberen Totpunkt entsprechenden Kolbenstellung am Ende eines Auslaßhubes am niedrigsten ist.
Noch mehr wird bevorzugt, daß eine Freigabeperiode, in der die Steuerventile die Verbindunggsöffnungen öffnen, so eingestellt ist, daß sie von einem Kurbelwinkel von 30º bis 40º vor der dem oberen Totpunkt entsprechenden Kolbenstellung am Ende eines Kompressionshubes bis zu einem Kolbenwinkel von 40º bis 50º vor der dem oberen Totpunkt entsprechenden Kolbenstellung am Ende eines Auslaßhubes dauert.
Daher wird ein Kompressionsverlust entsprechend dem Volumen der Wirbelkammer von einem Beginn eines Kompressionshubes nicht beeinflußt, aber die komprimierte Luft innerhalb der Hauptverbrennungskammern strömt rasch in die Wirbelkammern gleichzeitig mit der Freigabe der Steuerventile, die in den Wirbelkammern verbleibende Gasenergie kann für die Verbrennung ausgenutzt werden, die Ansaugluft wird rasch erhitzt, ihr Druck wird rasch erhöht, dann wird der Kraftstoff eingespritzt, um eine schnelle Durchführung einer Hochtemperaturverbrennung zu ermöglichen. Ferner werden die Steuerventile in der oben erwähnten Zeitspanne des Auslaßhubes geschlossen, so daß der Auslaßdruck den niedrigsten Wert hat, wobei die Menge des verbleibenden Gases innerhalb der Wirbelkammern so klein wie möglich gemacht werden kann. Während des Einlaßhubes werden die Steuerventile geschlossen gehalten, so daß die Ansaugluft nicht in Berührung mit dem Hochtemperaturteil der Wirbelkammern steht, was dazu führt, daß der Wirkungsgrad des angesaugten Gases kaum absinkt, die Wärmeausdehnung der Ansaugluft während eines Kompressionshubes eingeschränkt und sodann eine Energieabgabe verringert wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die Wirbelkammern bezüglich der jeweiligen Zylinder mittig im Zylinderkopf angeordnet sind, wobei jedes Steuerventil einen Ventilkopf und einen damit einstückigen Ventilschaft aufweist, der im wesentlichen mittig durch die jeweilige Wirbelkammer verläuft.
Wenn daher die Steuerventile geöffnet werden, kann die Ansaugluft, die von einem Teil rings um die Ventilköpfe der Steuerventile aus den Hauptverbrennungskammern in die Wirbelkammern geblasen wird, größere Wirbel rings um die Ventilschäfte der Steuerventile erzeugen. Da ferner die Steuerventile einer Wärmeströmung ausgesetzt sind, werden die Außenflächen der Steuerventile durch eine wärmeisolierende Schicht abgedeckt, um eine wärmebeständige Beschaffenheit hervorzurufen, wodurch innenseitige Abschnitte der Wirbelkammern auf eine hohe Temperatur aufgeheizt werden und verhindert wird, daß die Ansaugluft durch die Wandflächen der Wirbelkammern und Verbrennungsgas oder in den Hauptverbrennungskammern aufgeheizt wird.
Alternativ hierzu ist es möglich, daß die Kraftstoffeinspritzdüsen mit mehrere Löcher aufweisenden Einspritzöffnungen versehen sind und jede Wirbelkammer eine durch einen Zylinder mit einer Kugelkalotte an jedem Ende gebildete Form aufweist, wobei die Verbindungsöffnung und die Einspritzöffnungen der Kraftstoffeinspritzdüse in der Zylinderfläche der Zylinderform ausgebildet sind, wobei jede Einspritzöffnung der Kraftstoffeinspritzdüsen in einem Längsmittelabschnitt der Zylinderfläche angeordnet ist und jede der Einspritzöffnungen, die an den Kraftstoffeinspritzdüsen gebildet sind, ein großes Einspritzloch in einem Mittelabschnitt und kleine Einspritzlöcher in einem äußeren Umfangsabschnitt bilden.
Obwohl daher das zerstäubte Gas an den zylindrischen Flächen im wesentlichen in gleichförmigen Zustand gebracht wird, ist die Strömungsgeschwindigkeit im Mittelteil jeder der Wirbelkammern groß und die Wirbelgeschwindigkeit ist hoch, so daß die Flamme dazu neigt, sich im Mittelteil zu konzentrieren, was dazu führt, daß eine große Kraftstof fmenge im Mittelteil zerstäubt und das Überschußluftverhältnis gleichförmig gemacht wird und vorzugsweise die innere Wandfläche jeder der Wirbelkammern in eine unregelmäßige Form längs einer Wirbelstromlinie gebracht und der Wirbel zu einer Hochgeschwindigkeitsströmung gemacht werden kann, um eine bessere Vermischung von Luft und Kraftstoff zu bewirken, und dadurch kann die Wärme aus der Wandfläche der Wirbelkammern ausreichend abgeführt werden.
Die Wirbelkammern können in Wirbelkammerblöcken ausgebildet werden, wobei die Verbindungsöffnungen, Führungsöffnungen für die Steuerventile und Ventilsitze einstückig aus keramischem Material gebildet werden und die Hauptteile der Wirbelkammern über die wärmeisolierenden Schichten in einem Zylinderkopf angeordnet werden. Demgemäß können die Wirbelkammern mit einem sehr idealen Wärmeansammlungs-Aufbau konstruiert und in der beschriebenen Weise mit den Steuerventilen betrieben werden, wodurch eine Wärmebeeinflussung von den Wirbelkammern abgeschirmt werden kann, so daß keine Verschlechterung des Ansaug-Wirkungsgrades hervorgerufen wird. Da ferner die Steuerventile eine wärmebeständige Beschaffenheit erfordern, können sie aus dem gleichen keramischen Material hergestellt werden wie die Wirbelkammerblöcke, um die Temperaturverteilung gleichmäßig zu machen. Da die Ventilschäfte der Steuerventile und die Wirbelkammerblöcke infolge der Temperatur keine unterschiedliche Wärmeausdehnung zeigen, wenn der Motor betrieben wird, ist es möglich, das Spiel eines Anfangszustandes zwischen den Ventilschäften und den in den Wirbelkammerblöcken gebildeten Führungsöffnungen beizubehalten, ein schlechtes Gleiten der Steuerventile unter Temperatureinfluß zu verhindern, und das Gleiten der Ventilschäfte der Steuerventile bei einem besseren Ansprechvermögen glatt durchzuführen.
Die Steuerventile können ausgebildet werden, indem die nichtmagnetischen keramischen Ventilköpfe und unteren Ventilschäfte mit den oberen Ventilschäften aus Magnetmaterial verbunden werden, die Steuerventile können mit geringem Gewicht ausgebildet werden, elektromagnetische Spulen werden in bezug auf die oberen Ventilschäfte angeordnet, die in den elektromagnetischen Spulen erzeugte elektromagnetische Kraft wird gesteuert, um ein Öffnen oder Schließen der Steuerventile zu steuern, die Lage jedes der Steuerventile wird durch einen Lagesensor abgetastet und gleichzeitig werden die elektromagnetischen Spulen durch eine Steuereinrichting in Abhängigkeit von einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von den Drehzahlen des Motors und der Belastung des Motors gesteuert und das Öffnen und Schließen der Steuerventile wird gesteuert. obwohl daher die bekannte Art eines Nockenmechanismus zur Betätigung der Einlaß- und Auslaßventile in Abhängigkeit von einem Betriebshub des Motors geöffnet oder geschlossen werden kann, können die Steuerventile einen elektrischen Strom steuern, der den elektromagnetischen Spulen in Abhängigkeit von den erfaßten Signalen der Drehzahlen des Motors und der Belastung des Motors unabhängig von dem Betriebshub des Motors zugeführt wird, um die Steuerung eines Ventilanhebens jedes der Steuerventile und dessen Öffnungs- und Schließzeitpunkt zu ermöglichen. Wenn beispielsweise die Drehzahl des Motors niedrig ist, wird der Wirbel verlangsamt, so daß das Ventilanheben jedes der Steuerventile verlangsamt wird und die Wirbelgeschwindigkeit in den Wirbelkammern erhöht wird. Wenn andererseits der Motor in Betrieb gesetzt wird, wird das Ventilanheben jedes der Steuerventile beschleunigt, wodurch die Kühlwirkung der Wirbelkammern unter dem Wirbelbetrieb verringert werden kann.
Fig. 1 ist ein Schnitt zur Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines wärmeisolierten Verbrennungsmotors mit Wirbelkammer gemäß der Erfindung.
Fig. 2 ist ein Schnitt zur Darstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines wärmeisolierten Verbrennungsmotors mit Wirbelkammer gemäß der Erfindung.
Fig. 3 ist eine Schrägansicht zur Darstellung eines Beispiels einer Wirbelkammer bei noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des wärmeisolierten Verbrennungsmotors mit Wirbelkammer gemäß der Erfindung.
Fig. 4 ist ein Schnitt zur Darstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des wärmeisolierten Verbrennungsmotors mit Wirbelkammer gemäß der Erfindung.
Fig. 5 ist ein Schnitt zur Darstellung eines Hauptkörpers einer Wirbelkammer längs der Linie V-V in Fig. 4.
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Betätigungseinrichtung in einem Steuerventil einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des wärmeisolierten Verbrennungsmotors mit Wirbelkammer gemäß der Erfindung.
Fig. 7 ist eine P-V-Kurve des wärmeisolierten Verbrennungsmotors mit Wirbelkammer gemäß der Erfindung.
Fig. 8 ist eine graphische Darstellung eines Betriebszustandes des wärmeisolierten Verbrennungsmotors mit Wirbelkammer gemäß der Erfindung.
Mit Bezugnahme auf die Zeichnung werden einige bevorzugte Ausführungsformen des wärmeisolierten Verbrennungsmotors mit Wirbelkammer gemäß der Erfindung beispielhaft im einzelnen beschrieben.
Zunächst wird mit Bezugnahme auf Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform des wärmeisolierten Verbrennungsmotors mit Wirbelkammer gemäß der Erfindung beschrieben. Dieser wärmeisolierte Verbrennungsmotor mit Wirbelkammer ist ein Hubkolben-Verbrennungsmotor mit einem Kolben 11 und einem Ein- und Auslaßventil (ein Einlaßventil 7 ist in der Figur dargestellt), wobei der Verbrennungsmotor eine Hauptverbrennungskammer 1 und eine Wirbelkammer 2 aufweist. Obwohl die Hauptverbrennungskammer 1 und die Wirbelkammer 2 mit einem wärmeisolierenden Aufbau versehen sind, ist nur ein Beispiel einer schematischen Anordnung des wärmeisolierenden Aufbaus dargestellt, dieser ist jedoch nicht auf die in der Figur dargestellte Form eingeschränkt. Bei diesem wärmeisolierten Verbrennungsmotor ist ein Zylinderkopf 3 an einem Zylinderblock 4 über eine Dichtung 18 befestigt. In einen Zylinder 5 des Zylinderblocks 4 ist eine Zylinderlaufbüchse 6 eingepaßt, die aus einem wärmeisolierenden Wandteil besteht. An einer unteren Fläche des Zylinderkopfes 3 ist eine Zylinderkopf-Unterfläche 20 angeordnet, die aus einem wärmeisolierenden Wandteil aus Keramikmaterial oder dergl. besteht. Die Hauptverbrennungskammer 1 ist gebildet von einer Zylinderkopf-Unterfläche 20, einer Zylinderlaufbüchse 6 und einer Kolbenkopf-O- berfläche 12 eines wärmeisolierenden Wandteils. Die Zylinderkopf-Unterfläche 20 des Zylinderkopfes 3, die als Wandfläche zur Bildung der Hauptverbrennungskammer 1 dient, ist mit einer Verbindungsöffnung 9 versehen, die von einem wärmeisolierenden Wandteil 22 aus Keramikmaterial oder dergl. gebildet ist, und ist weiter mit einem Ventilsitz 14 versehen (wobei ein Ventilsitz am Einlaßventil 7 in der Figur dargestellt ist). Der Ventilsitz 14 ist mit dem Einlaßventil 7 und einem Auslaßventil versehen. Die Verbindungsöffnung 9 mündet an der Zylinderkopf-Unterfläche 20 des Zylinderkopfes 3 und die Verbindungsöffnung 9 steht in Verbindung mit der Hauptverbrennungskammer 1 und der Wirbelkammer 2. Die Wirbelkammer 2 ist in einem wärmeisolierenden Aufbau ausgebildet, der von einem wärmeisolierenden Wandteil 15 aus Keramikmaterial gebildet und in den Zylinderkopf 3 eingebettet ist. Die Wirbelkammer 2 ist mit einer Mehrfach-Einspritzöffnung einer Kraftstoff- Einspritzdüse 10 versehen.
Der wärmeisolierende Wandteil, der die Zylinderlaufbüchse 6 bildet, besteht aus Keramikmaterial, wie Siliziumnitrid (Si&sub3;N&sub4;), Siliziumkarbid (SiC) und zusammengesetzten Materialien. Der wärmeisolierende Wandteil, der die Zylinderkopf-Unterfläche 20 des Zylinderkopfes 3 bildet, besteht aus Keramikmaterial,wie Siliziumnitrid (Si&sub3;N&sub4;), Siliziumkarbid (SiC) und zusammengesetzten Materialien. Die Zylinderkopf-Unterfläche 20 ist derart in einem wärmeisolierenden Aufbau ausgebildet, daß sie direkt an der Unterfläche des Zylinderkopfes 3 anhaftet oder durch chemisches Aufdampfen beschichtet ist oder dergl., oder sie ist über ein wärmeisolierendes Material 48 und eine wärmeisolierende Luftschicht 49 angeschlossen oder durch chemisches Aufdampfen aufgeschichtet oder dergl. Die Wirbelkammer 2 ist so aufgebaut, daß sie eine wärmeansammelnde Funktion und eine wärmeisolierende Funktion besitzt. Der wärmeisolierende Wandteil 15, der die Wirbelkammer 2 bildet, und der wärmeisolierende Wandteil 22, der die Verbindungsöffnung 9 bildet, bestehen aus Keramikmaterial, wie Siliziumnitrid (Si&sub3;N&sub4;), Siliziumkarbid (SiC) und zusammengesetzten Materialien und ist direkt eingebettet in den Zylinderkopf 3, oder vorzugsweise wird er durch Befestigung im Zylinderkopf 3 über isolierendes Material und eine wärmeisolierende Luftschicht und dergl. (nicht gezeigt) befestigt. Ferner ist der wärmeisolierende Wandteil, der die Kolben-Oberfläche 12 am Kolben 11 bildet, aus einem Keramikmaterial hergestellt, wie Siliziumnitrid (Si&sub3;N&sub4;), Siliziumkarbid (SiC) und deren Zusammensetzungen, und ist direkt aufgebracht oder durch chemische Aufdampfung oder dergl. oder über wärmeisolierendes Material (nicht gezeigt) aufgebracht, um einen wärmeisolierenden Aufbau zu erhalten. Weiter sind in die Kolbenringnut 23 des Kolbens 11 Kolbenringe 21 aus Keramikmaterial und dergl. eingesetzt. Das Einlaßventil 7 und das Auslaßventil bestehen aus Keramikmaterial, wie Siliziumnitrid (Si&sub3;N&sub4;), Siliziumkarbid (SiC). Allgemein kann bei einem wärmeisolierten Verbrennungsmotor infolge der Wärmeisolierung während der Verbrennung keine Abstrahlung von Wärmeenergie erfolgen, so daß die Wandfläche der Verbrennungskammer und der innere Teil der Verbrennungskammer auf eine hohe Temperatur kommen und sich sodann eine Verschlechterung des Gasansaug-Wirkungsgrades beim Ansaughub sowie eine Verschlechterung der Verbrennungsgeschwindigkeit ergibt.
Der wärmeisolierte Verbrennungsmotor mit Wirbelkammer gemäß der Erfindung ist folgendermaßen aufgebaut, um eine Verschlechterung des Ansaugwirkungsgrades im wärmeisolierten Verbrennungsmotor sowie die Verschlechterung der Verbrennungsgeschwindigkeit auszuschalten. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist bei einem wärmeisolierten Verbrennungsmotor mit Wirbelkammer ein Steuerventil 8, das als drittes Ventil wirkt, in einer Verbindungsöffnung 9 mit einem wärmeisolierenden Aufbau angeordnet, welche die Hauptverbrennungskammer 1 mit der Wirbelkammer 2 verbindet. Dabei besteht das Steuerventil 8 aus einem Ventilkopf und einem Ventilschaft und ist vorzugsweise aus Keramikmaterial hergestellt, wie Siliziumnitrid (Si&sub3;N&sub4;), Siliziumkarbid (SiC) und deren Zusammensetzungen. Der Ventilschaft des Steuerventils 8 verläuft durch einen wärmeisolierenden Wandteil 22, der die Verbindungsöffnung 9 bildet, und der Ventilschaft weist einen Abstand von der Wirbelkammer 2 auf. Eine Ventilfläche des Steuerventils 8 ist an einem Ventilsitz 19 angeordnet, der in der Zylinderkopf-Unterfläche 20 des Zylinderkopfes 30 ausgebildet ist.
Das Steuerventil 8 öffnet oder schließt die Verbindungsöffnung 9, indem das Steuerventil 8 aufwärts oder abwärts über einen Nockenmechanismus oder eine elektromagnetische Kraft bewegt wird, um entweder einen Verbindungszustand oder einen Sperrzustand zwischen der Hauptverbrennungskammer 1 und der Wirbelkammer 2 einzustellen. Ein Kolbenkopfteil des Kolbens 11, der an einer Stelle gegenüber dem Steuerventil 8 angeordnet ist, ist mit einem eingezogenen Teil 17 versehen, der als Ventilöffnungsteil für das Steuerventil 8 wirkt, um einen Öffnungs- oder Schließvorgang des Steuerventils 8 nicht zu behindern.
Mit Bezugnahme auf die Figuren 1, 7 und 8 wird eine Steuerung des Öffnens oder Schließens des Steuerventils 8 beschrieben. Fig. 7 ist ein P-V-Diagramm für einen wärmeisolierten Verbrennungsmotor mit Wirbelkammer, und Fig. 8 ist ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen einem Arbeitshub des wärmeisolierten Verbrennungsmotors mit Wirbelkammer und dem Öffnungs- oder Schließvorgang des Steuerventils 8. Eine Steuerung des Öffnens oder Schließens des Steuerventils 8 entspannt hauptsächlich die Verbindungsöffnung 9 nahe dem Ende des Kompressionshubes des Motors, um ein Kommunizieren der Hauptverbrennungskammer 1 mit der Wirbelkammer 2 zu bewirken, und schließt die Verbindungsöffnung 9 während eines Ansaughubes, um die Hauptverbrennungskammer 1 und die Wirbelkammer 2 in dem gesperrten Zustand zu halten. Das heißt, es wird eine Entspannungszeit für das Steuerventil 8 eingestellt, damit man eine Zeitspanne hat, die von einem Kurbelwinkel von 30º bis 40º vor dem oberen Totpunkt am Ende des Kompressionshubes bis zu einem Kurbelwinkel von 40º bis 50º vor dem oberen Totpunkt am Ende eines Auslaßhubes dauert. Ferner wird der größte Teil des Gemisches in der Wirbelkammer 2 gezündet, die Wärmestrahlung wird durch die wärmeisolierenden Wandteile 15 und 22, welche die Wirbelkammer 2 bilden, abgeschirmt, der Betrag der Wärmestrahlung wird verringert, und die Wärme wird in der Wirbelkammer 2 angesammelt. Da das Steuerventil 8 die Verbindungsöffnung 9 während des Ansaughubes schließt, strömt daher das in der Wirbelkammer 2 verbleibende Verbrennungsgas während eines Ansaughubes nicht in die Hauptverbrennungskammer 1 aus, keine Wärmeenergie wird an die Ansaugluft abgegeben, die Erhitzung der Ansaugluft wird reduziert, es zeigt sich keine Ausdehnung der Ansaugluft, was dazu führt, daß die Ansaugluft glatt in die Hauptverbrennungskammer 1 strömen kann und so der Ansaugwirkungsgrad nicht verringert wird. Das Steuerventil 8 wird nahe eines Endes des Kompressionshubes entspannt, um einen Durchgang durch die Verbindungsöffnung 9 zu bewirken. Wenn der Kompressionshub beginnt und das Steuerventil 8 entspannt wird, um eine Verbindung der Wirbelkammer 2 mit derselben herzustellen, wird der einem Volumenbetrag der Wirbelkammer 2 entsprechende Druckverlust während des Kompressionshubes erzeugt, was dazu führt, daß die oben erwähnte Entspannungszeit zu bevorzugen ist. So strömt die in der Hauptverbrennungskammer 1 komprimierte Ansaugluft in die Wirbelkammer 2 bei Entspannung des Steuerventils 8 ein, Wärme wird von der Wandfläche der Wirbelkammer 2 und der Verbindungsöffnung 9 und dem verbleibenden Verbrennungsgas abgegeben, die Ansaugluft wird erhitzt, expandiert und ihr Druck wird erhöht.
Mit Bezugnahme auf das P-V-Diagramm gemäß Fig. 7, wird ein Volumen V um einen den zwei Wirbelkammern entsprechenden Betrag erhöht, indem das Steuerventil 8 entspannt und der Druck P verringert wird. Die in der Wirbelkammer 2 in deren Wandf läche und als Restgas gespeicherte Wärmeenergie wird jedoch ausqenützt, und der Druck wird um einen Betrag erhöht, welcher dem Wärmeinhalt entspricht. In diesem P-V-Diagramm sind VA und VM die Volumnina, welche in der Hauptverbrennungskammer 1 am oberen Totpunkt gebildet werden, z.B. beträgt VA = 40 cm³ bzw. VM = 40 cm³. Nach diesem Zustand wird Kraftstoff aus der Kraftstoff-Einspritzdüse 10 in die Wirbelkammer 2 eingespritzt, bei einer hohen Temperatur gezündet, und der Kraftstoff wird mit einem idealen Verfahrensablauf in seinen Auslaßhub gebracht. Da das Steuerventil 8 während einer Zeitspanne von einem Kurbelwinkel von 40º bis 50º vor dem oberen Totpunkt der Kolbenbewegung am Ende des Auslaßhubes geschlossen wird, findet sich der niedrigste Auslaßdruck während der Schließperiode,und die Menge des Verbrennungsgases, die in der Wirbelkammer 2 verbleibt, kann so weit wie möglich und während des Ansaughubes reduziert werden, wobei die Ansaugluft nicht in Berührung kommt mit den Hochtemperaturteilen der Wirbelkammer 2. Da so der Ansaugwirkungsgrad kaum absinkt und die Wärmeausdehnung der Ansaugluft während des Ansaughubes eingeschränkt ist, sinkt die geleistete Arbeit.
Da der oben erwähnte Arbeitshub in dem wärmeisolierten Verbrennungsmotor mit Wirbelkammer gemäß der Erfindung ermöglicht, daß das Kraftstoffverhältnis des aus der Kraftstoff- Einspritzdüse 10, die in die Wirbelkammer 2 eingebaut ist, eingespritzen Kraftstoffs schnell hochgeht und weitere Wärme in der Wandfläche der Wirbelkammer 2 und in dem bei geschlossenem Zustand des Steuerventils 8 verbleibenden Gas angesammelt wird, so daß die in die Wirbelkammer 2 am Ende des Kompressionshubes einströmende Ansaugluft innerhalb einer kurzen Zeitspanne eine erhöhte Temperatur zeigt, eine Vermischung des eingespritzten Kraftstoffs mit Luft schnell durchgeführt wird, die Verbrennung in einem raucherzeugenden Temperaturbereich, der von einem Kraftstoffverhältnis zwischen dem Kraftstoff und der Luft sowie der Verbrennungsgeschwindigkeit bestimmt wird, schnell überwunden wird, um eine Hochtemperaturverbrennung durchzuführen, und sodann wird die Flamme als ein Wirbel aus der Wirbelkammer 2 in die Hauptverbrennungskammer 1 geblasen. Die Flamme wird aus der Wirbelkammer 2 in die Hauptverbrennungskammer 1 geblasen, was dazu führt, daß eine ausreichende Menge an Ansaugluft in der Hauptverbrennungskammer 1 vorhanden ist, und das Kraftstoffverhältnis wird rasch verringert. Zusätzlich schließt das Steuerventil 8 die Wirbelkammer 2 während eines Ansaughubes ab, so daß die Temperatur der Hautpverbrennungskammer 1 eine gute Abhängigkeit von der Ansaugluft hat, und so ist der Wirkungsgrad der zuzuführenden Ansaugluft besser, so daß das Kraftstoffverhältnis innerhalb einer kurzen Zeitspanne verringert und die Verbrennungstemperatur herabgesetzt wird, und es kann eine Verbrennung in einem NOx-erzeugenden Temperaturbereich, der durch das Kraftstoffverhältnis und die Verbrennungstemperatur bestimmt wird, vermieden werden. Beim erfindungsgemäßen wärmeisolierten Verbrennungsmotor mit Wirbelkammer kann daher die Verbrennung frei von Rauchentwicklung und dem Auftreten von NOx in der Wirbelkammer 2 und in der Hauptverbrennungskammer 1 durchgeführt werden, und ferner können Rauch und NOx verringert werden.
Mit Bezugnahme auf Fig. 2 wird eine weitere bevorzugte Ausführungsform des wärmeisolierten Verbrennungsmotors mit Wirbelkammer gemäß der Erfindung beschrieben. Dieser wärmeisolierte Verbrennungsmotor mit Wirbelkammer hat den gleichen Aufbau wie die oben erwähnte bevorzugte Ausführungsform mit Ausnahme von Form und Einbaulage der Wirbelkammer, der Einbaulage des Steuerventils und der Form des Kolbenkopfes, und ferner hat das Steuerventil den gleichen Arbeitshub wie die oben erwähnte bevorzugte Ausführungsform, und es hat darüber hinaus die gleiche Funktion, wobei die gleichen oder entsprechenden Teile, welche die gleiche Funktion haben, mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und ihre doppelte Erläuterung weggelassen wird.
In Fig. 2 ist der wärmeisolierte Verbrennungsmotor mit Wirbelkammer so ausgebildet, daß die Wirbelkammer am Zylinderkopf 3 gegenüber einem im wesentlichen mittleren Teil eines Endes des Zylinders 5, d.h. der Zylinderlaufbüchse 6 angeordnet ist, und das Steuerventil 8 ist in einem mittleren Teil der Wirbelkammer 2 angeordnet, und das Einlaßventil 7 und das Auslaßventil 24 sind im Einlaßkanal 13 und im Auslaßkanal 26 angeordnet, die auf beiden Seiten der Wirbelkammer 2 ausgebildet sind. Das Steuerventil 8 ist derart angeordnet, daß es der Verbrennungskammer 27 gegenüberliegen kann, wobei der Kolben an einem mittigen Oberflächenteil des Kolbenkopfes des Kolbens 11 eine eingezogene Form besitzt, wodurch er so ausgebildet ist, daß er ein Öffnen oder Schließen des Steuerventils 8 nicht behindert. Dieses Steuerventil 8 ist derart eingesetzt, daß es durch den wärmeisolierenden Wandteil 15 der Wirbelkammer 2 verläuft, und es wird über einen Nockenmechanismus oder unter Einwirkung einer elektromagnetischen Kraft auf- oder abwärts bewegt. Das Steuerventil 8 besteht aus einem Ventilkopf und einem Ventilschaft und besitzt eine wärmeisolierende Schicht 25, die mit Keramikmaterial, wie Zirkonium, auf einem Ventilhauptkörper 28 und einer Außenfläche des Ventilhauptkörpers 28 aus Titanlegierung oder dergl. durch einen Auf spritzvorgang beschichtet ist. Infolge des oben beschriebenen Aufbaus des wärmeisolierten Verbrennungsmotors mit Wirbelkammer strömt Luft aus der Verbrennungskammer 1 rings um den Ventilkopf, wenn das Steuerventil 8 geöffnet ist, und die Luft wird derart ausgeblasen, daß sie einen besseren Wirbel rings um den Ventilschaft in der Wirbelkammer 2 bildet. Obwohl das Steuerventil 8 der Strömung ausgesetzt ist, kann eine wärmebeständige Eigenschaft durch eine die Außenfläche bildende wärmeisolierende Schicht 25 des Hauptkörpers des Steuerventils 28 erzielt werden, wobei ein Teil innerhalb der Wirbelkammer 2 auf eine heiße Temperatur aufgeheizt wird und ferner die Wärmeströmung zur Hauptverbrennungskammer 1 verhindert wird, was dazu führt, daß die Ansaugluft daran gehindert wird, in der Hauptverbrennungskammer 1 erhitzt zu werden. Da das Öffnen oder Schließen des Steuerventils 8 und seine Wirkung gleich ist wie bei der oben erwähnten bevorzugten Ausführungsform wird deren Beschreibung weggelassen.
Mit Bezugnahme auf Fig. 3 wird sodann noch eine weitere bevorzugte Ausführungsform des wärmeisolierten Verbrennungsmotors mit Wirbelkammer gemäß der Erfindung beschrieben. Im Vergleich zu der bevorzugten Ausführungsform gemäß Fig. 1 hat der wärmeisolierte Verbrennungsmotor mit Wirbelkammer ein besonderes Merkmal in der Form der Wirbelkammer und daher wird nur die Wirbelkammer beschrieben, um deren Aufbau zu erläutern, während die Darstellung des Motors weggelassen wird. Ferner hat das Steuerventil den gleichen Arbeitshub wie beim erwähnten bevorzugten Ausführungsbeispiel und hat auch die gleiche Funktion wie bei diesem, so daß die gleichen Bezugszeichen verwendet werden und eine doppelte Beschreibung weggelassen wird.
Fig. 3 ist eine Schrägansicht, die nur die Wirbelkammer 2 im wärmeisolierten Verbrennungsmotor mit Wirbelkammer zeigt. In Fig. 3 wird bei dem wärmeisolierten Verbrennungsmotor mit Wirbelkammer die Form der Wirbelkammer 2 ausgebildet, indem die innere Fläche, in welche die Verbindungsöffnung 9 mündet, von einer zylindrischen Fläche 29 und die beiden Enden der zylindrischen Fläche 29 durch einen Abschnitt einer Kugelfläche 30 gebildet werden. Die Verbindungsöffnung 9 ist bezüglich der zylindrischen Innenfläche der Wirbelkammer 2 schräg ausgebildet, um zu bewirken, daß die in die Wirbelkammer 2 eingeblasene Luft einen Wirbel erzeugt. Die Brennstoffeinspritzdüse 10, die in der Wirbelkammer 2 angeordnet ist, ist als Einspritzöffnung l6 mit einer Mehrzahl von Einspritzlöchern ausgebildet, wobei ein großes Einspritzloch 51 in der Mitte und kleine Einspritzlöcher 52 in einem äußeren Umfangsbereich ausgebildet sind, um eine gleichförmige Verteilung des zerstäubten Gases in der Wirbelkammer 2 zu bewirken. Das bedeutet, daß eine Luftströmung aus der Hauptverbrennungskammer 1 eine hohe Strömungsgeschwindigkeit in einem Mittelteil der Wirbelkammer 2 besitzt, wobei die Wirbelgeschwindigkeit hoch ist und die Flamme leicht im Mittelteil konzentriert werden kann. Die Einspritzöffnung 16 der Kraftstoff-Einspritzdüse 10 ist im Mittelteil ausgebildet, wie oben beschrieben, und eine große Kraftstoffmenge wird im Mittelteil zerstäubt, um ein gleichförmiges Luftüberschußverhältnis zu erhalten. Die Form der inneren Wandfläche der Wirbelkammer 2 kann längs einer Wirbelstromlinie F unregelmäßig ausgebildet werden (nicht gezeigt), um die Vermischung von Luft und Kraftstoff zu verbessern, wobei der Wirbel als Hochgeschwindigkeitsströmung wirkt und dazu dient, eine ausreichende Abführung von Wärme aus der wärmeisolierenden Wand zu erzielen. Da das Öffnen oder Schließen des Steuerventils 8 und deren Wirkung die gleichen sind wie bei der bevorzugten Ausführungsform gemäß Fig. 1, wird ihre Beschreibung weggelassen.
Ferner wird mit Bezugnahme auf Figuren 4 und 5 eine bevorzugte Ausführungsform des wärmeisolierten Verbrennungsmotors mit Wirbelkammer gemäß der Erfindung beschrieben. Im Vergleich mit der in Fig. 1 gezeigten bevorzugten Ausführungsform hat der wärmeisolierte Verbrennungsmotor mit Wirbelkammer ein besonders Merkmal in der Formung der Wirbelkammer und des Steuerventils, und sie hat den gleichen Aufbau mit Ausnahme dieser unterschiedlichen Punkte, und darüber hinaus hat das Steuerventil den gleichen Arbeitshub wie die bevorzugte Ausführungsform gemäß Fig. 1 sowie die gleiche Funktion wie die bevorzugte Ausführungsform gemäß Fig. 1, so daß die gleichen Bezugszeichen auf die gleichen Teile oder Teile mit der gleichen Funktion angewendet sind und ihre nochmalige Beschreibung weggelassen wird.
Fig. 4 ist ein Schnitt einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des wärmeisolierten Verbrennungsmotors mit Wirbelkammer gemäß der vorliegenden Erfindung, und Fig. 5 ist ein Schnitt zur Darstellung einer Wirbelkammer gemäß der Linie V-V in Fig. 4. Bei diesem wärmeisolierten Verbrennungsmotor mit Wirbelkammer ist der Wirbelkammerblock 33 mit der Wirbelkammer 2, Verbindungsöffnungen 9, Führungsöffnung 31 für das Steuerventil 8 und dem Ventilsitz 32 einstückig in einen Bauteil aus Keramikmaterial, wie Siliziumnitrid (Si&sub3;N&sub4;), Siliziumkarbid (SiC) und deren Zusammensetzungen, eingebaut. Dieser Wirbelkammerblock 33 ist am Zylinderkopf 3 über dem wärmeisolierenden Sitz 34 eingesetzt, um einen vollständigeren wärmeisolierenden Aufbau zu erreichen. Die Wirbelkammer 2 und das Steuerventil 8 sind aufgebaut wie oben beschrieben, wodurch die Wirbelkammer 2 einen wärmeansammelnden Aufbau erhalten kann, wie oben beschrieben, und es tritt keine Beeinträchtigung des Ansauggas-Wirkungsgrades auf. Ferner besteht das Steuerventil 8, das eine wärmebeständige Eigenschaft erfordert, aus einem Ventilkopf und einem Ventilschaft und ist aus dem gleichen Keramikmaterial hergestellt wie das den Wirbelkammerblock 33 bildende Keramikmaterial. Es ist daher möglich, die Temperaturverteilung sowohl im Steuerventil 8 als auch im Wirbelkammerblock 33 gleichförmig zu machen, um das Spiel des Anfangszustandes zwischen der Führungsöffnung 31 im Wirbelkammerblock 33 und dem Ventilschaft des Steuerventils 8 aufrechtzuerhalten. Ein schlechtes Gleiten des Steuerventils 8 infolge einer auftretenden Temperaturdifferenz wird beim Betrieb des Verbrennungsmotors nicht hervorgerufen, und ferner kann eine Gleitbewegung des Steuerventils 8 mit einem besseren Ansprechvermögen positiv durchgeführt werden. Obwohl die Form der Wirbelkammer 2 nicht auf eine zylindrische Form gemäß Fig. 3 eingeschränkt ist, wird eine innere Oberfläche, in welche die Verbindunggsöffnung 9 mündet, von der Zylinderfläche 29 gebildet, und beide Enden der Zylinderfläche 29 werden von Kugelflächen 30 gebildet, die als Abschnitt einer Kugelfläche ausgebildet sind. Die Verbindungsöffnung 9 mündet schräg in die Zylinderfläche 29 an der inneren Oberfläche der Wirbelkammer 2, so daß die in die Wirbelkammer 2 angesaugte Luft einen Wirbel bildet.
Der Wirbelkammerblock 33 ist durch ein Verfahren hergestellt, bei welchem den Wirbelkammerblock 33 bildendes Keramikmaterial eingefüllt und gebrannt wird, während Kunststoff oder dergl. Material in den Teilen angeordnet ist, in denen die Wirbelkammer 32, die Verbindungsöffnung 9, der Ventilsitz 32 und die Führungsöffnung 31 ausgebildet werden. Das Kunststoffmaterial wird beim Brennvorgang als verlorene Form drangegeben und dadurch wird der aus Keramikmaterial bestehende Wirbelkammerblock 33 geformt.
Mit Bezugnahme auf Fig. 6 wird noch eine weitere bevorzugte Ausführungsform des wärmeisolierten Verbrennungsmotors mit Wirbelkammer gemäß der Erfindung beschrieben. Im Vergleich zu der bevorzugten Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist der wärmeisolierte Verbrennungsmotor mit Wirbelkammer in gleicher Weise aufgebaut mit Ausnahme der Ausbildung des Steuerventils und insbesondere der Betätigungseinrichtung. Dementsprechend werden der Aufbau des Steuerventils und die Betätigungseinrichtung dargestellt, um sie zu beschreiben, und andere Bestandteile sind die gleichen wie bei der bevorzugten Ausführungsform gemaß Fig. 4, so daß ihre Darstellung weggelassen wird. Da ferner das Steuerventil den gleichen Betätigungshub besitzt wie bei der oben genannten bevorzugten Ausführungsform und auch die gleiche Funktion wie diese besitzt, werden den gleichen Teilen oder Teilen mit der gleichen Funktion die gleichen Bezugszeichen erteilt und eine nochmalige Beschreibung weggelassen.
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des wärmeisolierten Verbrennungsmotors mit Wirbelkammer gemäß der Erfindung. Bei diesem wärmeisolierten Verbrennungsmotor mit Wirbelkammer wird das Steuerventil 8, das in der Ventilführung, d.h. in der im Wirbelkammerblock 33 ausgebildeten Führungsöffnung 31, angeordnet ist, durch eine elektromagnetische Kraft betätigt. Dieses Steuerventil 8 ist so ausgebildet, daß der Ventilkopf 40 und der untere Ventilschaft 41 aus nichtmagnetischem Keramikmaterial, wie Siliziumnitrid, Siliziumkarbid und deren Zusammensetzungen, hergestellt sind, und daß der obere Ventilschaft 35 aus magnetischem Material, wie Siliziumstahl besteht. Die obere Stirnfläche des unteren Ventilschaftes 41 und die untere Stirnfläche des oberen Ventilschaftes 35 sind miteinander verbunden und stoßen am Verbindungsteil 42 aneinander. Die Verbindung zwischen dem unteren Ventilschaft 41 und dem oberen Ventilschaft 35 kann direkt oder indirekt durch ein wärmeisolierendes Material erfolgen. Die Masse des Steuerventils 8 kann durch Ausbildung desselben in der oben beschriebenen Weise klein gemacht werden. Dementsprechend wird der obere Ventilschaft 35 aus magnetischem Material und der untere Ventilschaft 41 und der Ventilkopf 40 aus Keramikmaterial hergestellt, so daß die Masse des Ventils selbst abgesetzt und ermöglicht wird, das Steuerventil 8 mit elektromagnetischer Kraft zu betätigen. Ein Ventilfedersplint 46, der in eine im oberen Ventilschaft 35 ausgebildete Splintnut 47 eingesetzt ist, ist in den Federsitz 44 eingepaßt, und gleichzeitig ist eine Ventilfeder 45 zwischen dem Federsitz 44 und dem Federsitz 50 an der oberen Fläche des Zylinderkopfes 3 angeordnet, und dadurch wird das Steuerventil 8 auf den Ventilsitz 32 des Wirbelkammerblocks 33 aufgesetzt. Mit anderen Worten, die Ventilfeder 45 wirkt als Rückholfeder beim Schließen der Verbindunggsöffnung 9 mit dem Steuerventil 8. Die Einrichtung zum Öffnen des Steuerventils 8 ist so ausgebildet, daß eine Magnetisierungsspule, d.h. eine elektromagnetische Spule 36, an einem äußeren Umfang des oberen Ventilschaftes 35 aus magnetischem Material angeordnet ist. Eine Steuerung des elektrischen Stroms in die elektromagnetische Spule 36 wird derart durchgeführt, daß sie durch die Steuereinrichtung 37 steuerbar ist. Auf die Steuereinrichtung 37 werden ein Rotationssensorsignal von einem Rotationssensor 38 zum Erfassen der Anzahl von Umdrehungen des Verbrennungsmotors, ein Drehmomentsensorsignal von einem Drehmomentsensor 39 zum Erfassen der Belastung des Verbrennungsmotors und ein Lagesensorsignal von einem Lagesensor 43 zum Erfassen der Ventilhublage des Steuerventils 8 gegeben. Die Steuereinrichtung 37 kann einen elektrischen Strom auf die elektromagnetische Spule 36 in Abhängigkeit von jedem dieser Sensorsignale geben und das Öffnen oder Schließen des Steuerventils 8 steuern.
Infolge der Ausbildung der Betriebssteuereinrichtung für das Steuervetil 8 im wärmeisolierten Verbrennungsmotor mit Wirbelkammer gemäß Fig. 6 in der beschriebenen Weise wird eine Öffnungsperiode für das Steuerventil 8 an der Steuereinrichtung 37 voreingestellt, die von einem Kurbelwinkel von 30º bis 40º vor dem oberen Totpunkt am Ende eines Kompressionshubes bis zu einem Kurbelwinkel von 40º bis 50º vor dem oberen Totpunkt am Ende eines Auslaßhubes dauert, wodurch das Steuerventil 8 den gleichen Steuervorgang durchführen kann, wie er bei dem wärmeisolierten Verbrennungsmotor mit Wirbelkammer gemäß Fig. 1 erfolgt, um eine Verringerung des Einlaßgas-Wirkungsgrades zu verhindern, und gleichzeitig das Auftreten von NOx und Rauch verringert wird. Der in der elektromagnetischen Spule 36 fließende elektrische Strom kann in Abhängigkeit von der Drehzahl des Verbrennungsmotors und von der Belastung des Motors gesteuert werden, während die Lage des Steuerventils 8 abgetastet wird, und ferner kann das Öffnen oder Schließen des Steuerventils, d.h. der Ventilhubvorgang, gesteuert werden. Da beispielsweise der Wirbel bei einer niedrigen Drehzahl des Verbrennungsmotors klein ist, ist es möglich, die Wirbelgeschwindigkeit zu erhöhen, indem die Ventilhubstrecke des Steuerventils 8 verkleinert wird. Im Zeitpunkt des Motorstarts ist es möglich, die Kühlwirkung durch einen Wirbel zu verringern, indem die Ventilhubstrecke des Steuerventils 8 vergrößert wird.

Claims

1. Wärmeisolierter Verbrennungsmotor mit Wirbelkammer, welcher aufweist:

einen Zylinderblock (4), der Zylinder (5) enthält; Zylinderlaufbüchsen (6), die in die Zylinder (5) eingepaßt sind;

einen Zylinderkopf (3), der mit einer unteren Zylinderkopffläche am Zylinderblock (4) befestigt und mit Einlaß- und Auslaßkanälen (13) versehen ist;

Einlaß- und Auslaßventile (7), die jeweils in den Einlaß- und Auslaßkanälen (13) angeordnet sind;

Kolben (11), die mit Kolbenköpfen versehen und innerhalb der Zylinderlaufbüchsen (6) hin- und herbewegbar sind; Hauptverbrennungskammern (1), die von den Zylinderlaufbüchsen (6), der unteren Zylinderkopffläche (20) des Zylinderkopfes (3) und den Kolbenköpfen gebildet sind; Wirbelkammern (2), die im Zylinderkopf (3) ausgebildet sind und durch wärmeisolierende Wandteile (15) begrenzt sind;

Kraftstoffeinspritzdüsen (10) mit Einspritzöffnungen (16), die in die jeweiligen Wirbelkammern (2) münden; Verbindungsöffnungen (9), die im Zylinderkopf (3) ausgebildet und durch die wärmeisolierenden Wandteile begrenzt sind und die Wirbelkammern (2) mit entsprechenden Hauptverbrennungskammern (1) verbinden; und Steuerventile (8) zum Öffnen oder Schließen der Verbindungsöffnungen (9);

wobei der wärmeisolierte Verbrennungsmotor so ausgelegt ist, daß bei Betrieb die Verbindungsöffnungen (9) durch Betätigung der Steuerventile (8) geschlossen werden, um die Verbindung zwischen den Wirbelkammern (2) und den Hauptverbrennungskammern (1) nahe dem Ende eines Auslaßhubes zu unterbrechen, wodurch Restgas in den Wirbelkammern (2) reduziert wird, die Verbindungsöffnungen (9) durch die Steuerventile (8) während eines Einlaßhubes geschlossen gehalten werden, um die Unterbrechung der Verbindung zwischen den Wirbelkammern (2) und den Hauptverbrennungskammern (1) aufrecht zu erhalten und dadurch eine Erhitzung der Einlaßluft durch die Wärme aus den Wirbelkammern (2), die erhitzt worden sind, zu unterdrücken, und wobei die Verbindungsöffnungen (9) zur Betätigung der Steuerventile (8) nahe dem Ende des Kompressionshubes derart geöffnet werden, daß die Ansaugluft schnell aus den Hauptverbrennungskammern (1) über die Verbindungsöffnungen(9) in die Wirbelkammern (2) geleitet wird, durch die Wärme aus den Wandflächen der Wirbelkammern (2) ausgedehnt wird und nach dem Vermischen mit dem aus den Kraftstoffeinspritzdüsen (10) eingespritzten Kraftstoff bei einer hohen Temperatur verbrannt wird, und wobei der Verbrennungszyklus sodann in einen Auslaßhub übergeht.

2. Wärmeisolierter Verbrennungsmotor mit Wirbelkammer nach Anspruch 1, bei welchem die Steuerventile (8) so ausgelegt sind, daß sie die Verbindungsöffnungen (9) schließen, wenn der Auslaßdruck bei einem Kurbelwinkel von 40º bis 50º vor einer dem oberen Totpunkt entsprechenden Kolbenstellung am Ende eines Auslaßhubes am niedrigsten ist.

3. Wärmeisolierter Verbrennungsmotor mit Wirbelkammer nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem jedes der Steuerventile (8) aus einem keramischen Ventilkopf (40), einem unteren keramischen Ventilschaft (4l), der mit dem Ventilkopf (40) einstückig ist, und einem aus Magnetmaterial hergestellten oberen Ventilschaft (35) besteht, der mit dem unteren Ventilschaft (41) verbunden ist.

4. Wärmeisolierter Verbrennungsmotor mit Wirbelkammer nach Anspruch 3, bei welchem die Ventilschäfte der Steuerventile (8) so ausgelegt sind, daß sie durch die wärmeisolierenden Wandteile (15) verlaufen, welche die Verbindunggsöffnungen (9) begrenzen, wobei die Ventilschäfte der Steuerventile (8) im Abstand von den Wirbelkammern (2) angeordnet sind.

5. Wärmeisolierter Verbrennungsmotor mit Wirbelkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die Kolbenköpfe der Kolben (11) mit Einziehungen versehen sind, die als Entlastungsabschnitt für die Steuerventile (8) wirken.

6. Wärmeisolierter Verbrennungsmotor mit Wirbelkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die Wirbelkammern (2) bezüglich der jeweiligen Zylinder mittig im Zylinderkopf (3) angeordnet sind, wobei jedes Steuerventil (8) einen Ventilkopf und einen damit einstückigen Ventilschaft aufweist, der im wesentlichen mittig durch die jeweilige Wirbelkammer (2) verläuft.

7. Wärmeisolierter Verbrennungsmotor mit Wirbelkammer nach Anspruch 6, bei welchem die Mittelabschnitte der Kolbenköpfe der Kolben (11) mit Ausnehmungen versehen sind, welche einen Teil der Hauptverbrennungskammern bilden, wobei die Ausnehmungen der Hauptverbrennungskammern (1) und der Wirbelkammern (2) einander gegenüberliegen.

8. Wärmeisolierter Verbrennungsmotor mit Wirbelkammer nach Anspruch 3 oder 4, bei welchem Außenflächen der Steuerventile (8) zur Bildung wärmeisolierender Strukturen mit Keramikmaterial abgedeckt sind.

9. Wärmeisolierter Verbrennungsmotor mit Wirbelkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die Kraftstoffeinspritzdüsen (10) mit mehrere Löcher aufweisenden Einspritzöffnungen (16) versehen sind und jede Wirbelkammer (2) eine durch einen Zylinder mit einer Kugelkalotte an jedem Ende gebildete Form aufweist, wobei die Verbindungsöffnung (9) und die Einspritzöffnungen (16) der Kraftstoffeinspritzdüse (10) in der Zylinderfläche (29) der Zylinderform ausgebildet sind.

10. Wärmeisolierter Verbrennungsmotor mit Wirbelkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die Zylinderlaufbüchsen (6), die untere Zylinderkopffläche als Teil des Zylinderkopfes (3) und die Kolbenköpfe der Kolben (11) als wärmeisolierende Wandteile ausgebildet sind.

11. Wärmeisolierter Verbrennungsmotor mit Wirbelkammer nach Anspruch 9, bei welchem jede Einspritzöffnung (16) der Kraftstoffeinspritzdüsen (10) in einem Längsmittelabschnitt der Zylinderfläche (29) angeordnet ist und jede der Einspritzöffnungen (16), die an den Kraftstoffeinspritzdüsen (10) gebildet sind, ein großes Einspritzloch in einem Mittelabschnitt und kleine Einspritzlöcher in einem äußeren Umfangsabschnitt bilden.

12. Wärmeisolierter Verbrennungsmotor mit Wirbelkammer nach Anspruch 1, bei welchem die Wirbelkammern innerhalb von Wirbelkammerblöcken (33) gebildet sind, die aus einem wärmeisolierenden Körper aus Keramikmaterial bestehen, wobei die Verbindungsöffnung (9), Ventilführungsöffnungen (31) und Ventilsitze (32) in den Wirbelkammerblöcken (33) gebildet sind, und die Steuerventile (8) sich durch die Ventilführungsöffnungen (31) und in die Ventilsitze (32) hinein erstrecken.

13. Wärmeisolierter Verbrennungsmotor mit Wirbelkammer nach Anspruch 12, bei welchem die Steuerventile (8) aus dem gleichen Keramikmaterial bestehen wie die Wirbelkammerblöcke (33).

14. Wärmeisolierter Verbrennungsmotor mit Wirbelkammer nach Anspruch 3, bei welchem elektromagnetische Spulen (36) um die oberen Ventilschäfte (35) derart angeordnet sind, daß die Steuerventile (8) durch elektromagnetische Kraft, welche durch die Zuf ührung von elektrischem Strom zu den elektromagnetischen Spulen (36) erzeugt wird, geöffnet oder geschlossen werden.

15. Wärmeisolierter Verbrennungsmotor mit Wirbelkammer nach Anspruch 14, der ferner aufweist:

einen Sensor (43) zum Abtasten einer Stellung jedes der Steuerventile (8);

einen weiteren Sensor (38,39) zum Abtasten eines Betriebszustandes des Verbrennungsmotors; und eine Steuereinrichtung (37) zum Steuern des Öffnens und Schließens der Steuerventile (8) durch elektromagnetische Kraft, die durch Zuführung von elektrischem Strom zu den elektromagnetischen Spulen (36) erzeugt wird.

16. Wärmeisolierter Verbrennungsmotor mit Wirbelkammer nach Anspruch 15, bei welchem der weitere Sensor zum Abtasten eines Betriebszustandes des Verbrennungsmotors ein Lastsensor (39) zum Abtasten einer Belastung des Verbrennungsmotors ist.

17. Wärmeisolierter Verbrennungsmotor mit Wirbelkammer nach Anspruch 15 oder 16, bei welchem der weitere Sensor zum Abtasten eines Betriebszustandes des Verbrennungsmotors ein Drehsensor (38) zum Abtasten der Drehzahl des Verbrennungsmotors ist.

18. Wärmeisolierter Verbrennungsmotor mit Wirbelkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die die Wirbelkammern (2) bildenden wärmeisoierenden Wandteile (15) und die Verbindungsöffnungen (9) aus Keramikmaterial bestehen.

19. Wärmeisolierter Verbrennungsmotor mit Wirbelkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die Zylinderlaufbüchsen (6), die untere Zylinderkopffläche des Zylinderkopfes (3) und die Kolbenköpfe der Kolben (11) aus wärmeisolierenden Wandteilen bestehen, die aus Keramikmaterial hergestellt sind.

20. Wärmeisolierter Verbrennungsmotor mit Wirbelkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem eine Freigabeperiode, in der die Steuerventile (8) die Verbindungsöffnungen (9) öffnen, so eingestellt ist, daß sie von einem Kurbelwinkel von 30º bis 40º vor der dem oberen Totpunkt entsprechenden Kolbenstellung am Ende eines Kompressionshubes bis zu einem Kolbenwinkel von 40º bis 50º vor der dem oberen Totpunkt entsprechenden Kolbenstellung am Ende eines Auslaßhubes dauert.