DE2742500A1

DE2742500A1 - Brennkraftmaschine mit vorbrennkammer

Info

Publication number: DE2742500A1
Application number: DE19772742500
Authority: DE
Inventors: Giulio Arietti; Claudio Lombardi
Original assignee: Fiat SpA
Current assignee: Fiat SpA
Priority date: 1976-09-22
Filing date: 1977-09-21
Publication date: 1978-03-30
Also published as: IT1078645B; JPS5340109A; FR2365696A1; GB1582047A; FR2365696B1; SU886758A3

Description

Societa per Azioni

Corso Marconi 10

Turin Italien

Brennkraftmaschine mit Vorbrennkammer

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, der über einen Kanal mit einer Vorbrennkammer verbunden ist, in der zentral eine Zündvorrichtung angeordnet ist und die mit einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung versehen ist.

Durch die Italienische Patentschrift 920 436 ist eine Brennkraftmaschine mit Fremdzündung und Kraftstoffeinspritzung bekannt, die mindestens einen Zylinder, einen darin bewegbaren Kolben, eine Vorrichtung zur Einführung von Luft in den Zylinder, mindestens eine Vorbrennkammer außerhalb des Zylinders, einen Kanal zur Verbindung der Vorbrennkammer mit dem Zylinder und zur Durchführung von dem Kolben komprimierter Luft vollständig in die Vorbrennkammer sowie eine Zündvorrichtung zur Zündung einer geschichteten Ladung eines Kraftstoff-Luftgemischs in der Vorbrennkammer aufweist.

Diese Brennkraftmaschine ist so aufgebaut, daß der Kanal zum Zündzeitpunkt durch den Kolben praktisch verschlossen

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ist, so daß die Verbrennung der geschichteten Ladung insgesamt außerhalb des Zylinders in der Vorbrennkammer stattfindet, die eine Kugelform hat. Innerhalb der Vorbrennkammer ist in einer diametralen Position ein Stab aus elektrisch leitfähigem Material befestigt, der als eine erste Elektrode wirkt. Eine zweite Elektrode verläuft in die Mitte der Vorbrennkammer und bildet mit der ersten Elektrode einen Spalt, in dem ein Zündfunke erzeugt wird, so daß in der mittleren Zone der Vorbrennkammer eine Zündung eines ersten, angereicherten Teils der geschichteten Ladung stattfindet.

Praktische Versuche, die mit einer solchen Brennkraftmaschine durchgeführt wurden, haben gezeigt, daß die Abgase zwar minimale unverbrannte Anteile enthalten, die hinsichtlich ihrerer Verschmutzungswirkung auf die Atmosphäre als giftig zu bezeichnen sind, beispielsweise Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NO) sowie Kohlenwasserstoffe. Die spezifische Leistung einer solchen Brennkraftmaschine wird dabei jedoch nicht verbessert.

Durch die Erfindung soll dieser Nachteil vermieden werden. Grundlage dafür ist die Erkenntnis, daß zur Verbesserung der spezifischen Leistung einer solchen Brennkraftmaschine und gleichzeitigen Verringerung des Anteils der drei genannten Stoffe in den Abgasen eine Verlängerung der Verbrennung des geschichteten Kraftstoff-Luftgemischs erforderlich ist, die beispielsweise in einer zweiten Brennkammer stattfinden kann, welche vorzugsweise im Kolbenboden angeordnet ist.

Demgemäß ist eine Brennkraftmaschine eingangs genannter Art erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß zur Verbesserung der spezifischen Leistung der Brennkraftmaschine bei gleichzeitiger Verringerung unverbrannter Anteile in den Ab-

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gasen eine zweite Brennkammer mit einem Volumen zwischen 10 und 40 % des Gesamtbrennraumvolumens vorgesehen ist.

Durch die zweite Brennkammer wird die Verbrennung der heißen Verbrennungsprodukte aus der Vorbrennkammer verlängert, wodurch die schädlichen Anteile in den Abgasen verringert werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand in den Figuren dargestellter AusfUhrungsbeispxele beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Teilschnitt einer Brennkraftmaschine nach der Erfindung und

Fig. 2 einen Teilschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine nach der Erfindung.

Die in Fig. 1 gezeigte Brennkraftmaschine hat einen Block 1a, in dem mehrere Zylinder 1 vorgesehen sind, von denen nur einer dargestellt ist und die jeweils einen Kolben enthalten, der im Zylinder bewegbar geführt ist.

Eine kugelige Vorbrennkammer 3 ist jedem Zylinder 1 zugeordnet und außerhalb des Zylinders 1 in einem Zylinderkopf 4 angeordnet, der zum Zylinderblock gehört. In der Ebene Y-Y zwischen dem oberen Teil des Zylinderblocks 1a und dem Zylinderkopf 4 ist eine Dichtung 4a vorgesehen, um einen Austritt von Gasen zu verhindern, die während der Verbrennungsstufe im Zylinder 1 erzeugt werden.

Ein Kanal 5 im Zylinderkopf 4 verbindet die Vorbrennkammer 3 mit dem oberen Teil des zugeordneten Zylinders 1. Der Kanal 5 verläuft tangential zur Vorbrennkammer 3 auf einer Seite der Längsachse X-X des Zylinders 1. Die Achse des

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Kanals 5 ist unter einem Winkel von 25°bis 45° gegenüber der Achse X-X des Zylinders 1 geneigt. Dieser Winkel beträgt vorzugsweise 35°. Der Kanal 5 hat vorzugsweise einen kreisrunden Querschnitt und ein Volumen, das ca. 6 bis 30 % des Volumens der Vorbrennkammer 3 beträgt. Die Vorbrennkammer 3 und der Kanal 5 sind im Zylinderkopf 4 der Maschine angeordnet.

Eine zweite Brennkammer 6 ist im Zylinder 1 selbst in bekannter V/eise vorgesehen, hierzu ist eine flache Vertiefung in den Boden des Kolbens 2 eingearbeitet oder eingegossen. Das Volumen der zweiten Brennkammer 6 einschließlich des Teils, der sich durch die Dicke der Dichtung 4a zwischen dem Zylinderkopf 4 und dem Zylinderblock 1a ergibt, liegt etwa zwischen 10 und 40 % des Gesamtvolumens, in dem die Verbrennung stattfindet, d.h. des kombinierten Volumens der Vorbrennkammer 3, des Kanals 5 und der zweiten Brennkammer 6.

Eine Einspritzvorrichtung 7 mit einer oder mehreren Öffnungen wird mit Kraftstoff unter Druck mittels einer Einspritzpumpe (nicht dargestellt) gespeist. Die Einspritzvorrichtung 7 ist im Zylinderkopf 4 derart angeordnet, daß der oder die mit ihr erzeugten Kraftstoffstrahlen in einer Ebene liegen, die durch die Mitte der Vorbrennkammer 3 verläuft, und auf die Mitte der Vorbrennkammer 3 ausgerichtet sind. Werden mehrere Kraftstoffstrahlen erzeugt, so sollen sie insgesamt innerhalb eines maximalen Winkels von 80° eingeschlossen sein, dieser Winkel beträgt vorzugsweise jedoch 40°.

Ein Elektrodenstab 8 aus elektrisch leitfähigem Material verläuft diametral durch die Vorbrennkammer 3. Er dient als Masseelektrode und steht mit einer zündkerze 9 mit

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Einzelelektrode in Wechselwirkung, die als Zündelektrode arbeitet. Beide Elektroden bilden einen Spalt in der mittleren Zone der Vorbrennkammer 3. Die Zündkerze 9 ist gegenüber der durch die Mitte der Vorbrennkammer 3 und parallel zur Zylinderachse X-X verlaufenden Achse unter einem Winkel von 2° bis 10° geneigt, dieser Winkel beträgt vorzugsweise 5°.

Die Position der Einspritzvorrichtung 7 in bezug auf die Einzelelektrodenzündkerze 9 ist aus noch zu beschreibenden Gründen von besonderer Wichtigkeit. Die Achse der Einspritzvorrichtung 7 ist gegenüber der Achse der Zündkerze 9 unter einem Winkel von 45°bis 150°, vorzugsweise von 60°bis 90°, geneigt.

Im folgenden wird die Arbeitsweise der in Fig. 1 gezeigten Maschine beschrieben.

Während des Ansaughubes, bei dem sich der Kolben 2 im Zylinder 1 des Zylinderblocks 1a vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt bewegt, wird Luft durch einen Ansaugkanal 10 in den Zylinder 1 und über ein Eintrittsventil 12 in die zweite Brennkammer 6 im Boden des Kolbens 2 angesaugt. Kraftstoff wird durch mehrere Öffnungen der Einspritzvorrichtung 7 auf den mittleren Elektrodenstab 8 in der Vorbrennkammer 3 eingespritzt, und wenn sich der Kolben 2 beim nachfolgenden Kompressionshub wieder zum oberen Totpunkt bewegt, so werden ca. 10 bis 70 % des in den Zylinder 1 eingeführten Luftvolumens komprimiert und durch den Kanal 5 in die Vorbrennkammer 3 befördert. Da der Kanal 5 relativ zur Vorbrennkammer 3 tangential angeordnet ist, erzeugt er in der komprimierten Luft eine zentrifugale Wirbelströmung. Dadurch wird eine geschichtete Ladung in der Vorbrennkammer 3 erzeugt, die

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mit einer augenblicklichen Zerstäubung der brennbaren Flüssigkeit verbunden ist, welche auf den mittleren Elektrodenstab 8 gesprüht wird. Gleichzeitig erfolgt eine Anreicherung des in der mittleren Zone der Vorbrennkammer 3 befindlichen Kraftstoffanteils nahe der mittleren Elektrode 8.

Während der Verbrennung und der Expansion wird ein Teil des Gemischs verbrannt, und der Rest an unverbranntem Gemisch, das an Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen angereichert ist, wird durch den Kanal 5 in die darunter liegende zweite Brennkammer 6 im Boden des Kolbens 2 geführt.

Auf diese Weise ergibt sich als erste Wirkung eine Verlängerung der Verbrennung der unverbrannten Gase durch die in dem Kanal 5 und in der zweiten Brennkammer 6 verbleibende Luftmasse, und eine zweite Wirkung besteht darin, daß unverbrannte Gase und Verbrennungsprodukte aus der eine hohe Temperatur führenden Vorbrennkammer 3 in die zweite Brennkammer 6 befördert werden, die eine niedrigere Temperatur hat.

Während dieses Vorganges wird infolge der niedrigeren Brenntemperatur in der Brennkammer 6 der Prozeß der Bildung von Stickoxiden (NO) unterbrochen.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem kein Kanal zwischen der Vorbrennkammer 3 und der zweiten Brennkammer 6 vorgesehen ist. Hierbei muß vor dem Eintrittsventil 12 eine Hilf einspritzvorrichtung 11 im Ansaugkanal 10 vorgesehen sein. Diese dient zur Einführung eines abgemagerten, brennbaren Gemischs in die zweite Brennkammer 6, dessen Kraftstoffanteil wesentlich unter dem Normalwert liegt. Die Verbrennung dieses Gemischs wird

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durch die heißen Verbrennungsprodukte der Vorbrennkammer eingeleitet. Auf diese Weise wird jeder etwaige Rückstand unverbrannter luftverschmutzender Anteile durch die Verbrennung des Gemischs, das in die zweite Brennkammer 6 eingeführt wurde, progressiv verbrannt.

Die Zündkerze 9 sowie der Elektrodenstab 8 , die in der Maschine nach Fig. 1 verwendet sind, sind bei der in Fig. 2 gezeigten Maschine durch eine Doppelelektrodenzündkerze 9¹ ersetzt, die längliche Elektroden aufweist.

Die vorstehenden Ausführungsbeispiele und ihre konstruktiven Einzelheiten können in weiten Grenzen abgeändert werden, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.

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Claims

Patentansprüche

ί1.JBrennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, der über einen Kanal mit einer Vorbrennkammer verbunden ist, in der zentral eine Zündvorrichtung angeordnet ist und die mit einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der spezifischen Leistung der Brennkraftmaschine bei gleichzeitiger Verringerung unverbrannter Anteile in den Abgasen eine zweite Brennkammer (6) mit einem Volumen zwischen 10 und 40 % des Gesamtbrennraumvolumens vorgesehen ist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzvorrichtung (7) zur optimalen Kraftstoffzerstäubung so angeordnet ist, daß der Kraftstoff in einer durch die Mitte der Vorbrennkammer (3) verlaufenden Ebene in Richtung auf die Mitte der Vorbrennkammer (3) innerhalb eines Winkelbereichs von 80° gesprüht wird.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündvorrichtung eine Einzelelektrodenzündkerze (9) ist, die mit ihrer Achse unter einem Winkel von 2° bis 10° gegenüber der durch die Mitte der Vorbrennkammer (3) parallel zur Achse des zugeordneten Zylinders (1) verlaufenden Achse geneigt ist.
4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ferner ein Zylinderkopf (4) mit einem Ansaugkanal (10) und einer Hilfseinspritzvorrichtung (11) vorgesehen ist, die ein fri-

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ORIGINAL INSPECTED

sches, brennbares Gemisch in die zweite Brennkammer (6) durch den Ansaugkanal (10) einführt, um die vollständige Verbrennung unverbrannter, in den Verbrennungsprodukten der Vorbrennkammer (3) enthaltener Gase zu begünstigen.

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