DE2909183C2

DE2909183C2 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2909183C2
Application number: DE2909183A
Authority: DE
Inventors: Sumio Susono Ito; Hidetaka Mishima Nohira; Hisashi Numazu Oki
Original assignee: Toyota Jidosha Kogyo KK
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1979-03-08
Filing date: 1979-03-08
Publication date: 1983-04-14
Also published as: DE2909183A1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine ventilgesteuerte Hubkolbenbrennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche ist aus der DE-OS _Μ 20 62 323 bekannt

Bei Brennkraftmaschinen stellt sich besonders in jüngster Zeit das Problem der Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades bei gleichzeitiger Herabsetzung der Schadstoffanteile in den Abgasen. Zur wirksamen Herabsetzung der Schadstoffanteile in den Abgasen hat es sich als günstig erwiesen, der Maschine ein mageres Luft/Kraftstoff-Gemisch zuzuführen. Es stellt sich dann aber das Problem, daß die Flammfortpflanzungsgeschwindigkeit im Gemisch sehr niedrig ist und daher die Verbrennungsgeschwindigkeit klein ist so daß sich kein hoher thermischer Wirkungsgrad erreichen läßt Als Folge davon kann an der Maschine keine allzugroße Leistung erzielt werden. Um bei solchen Betriebsbedingungen den thermischen Wirkungsgrad zu verbessern, ist in der Hauptsache die Flammfortpflanzungsgeschwindigkeit zu vergrößern. Zu diesem Zweck ist bei der aus der DE-OS 20 62 323 bekannten Brennkraftmaschine im Zylinderkopf eine Nebenkammer ausgebildet, die von einem Kompressor ständig mit einem relativ fetten Brenngasgemisch versorgt wird. Während des Verdichtungstaktes der Brennkraftmaschine öffnet das die Nebenkammer von der Brennkammer abschließende Hilfsventil, so daß sich das aus der Nebenkammer in die Brennkammer strömende Gemisch auf das dort bereits vorhandene, magere Gemisch schichtet

Der geschilderte Aufwand zur Erzielung der die Zündung und Fiamr.iausbreitung begünstigenden Schichtladung ist beträchtlich. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art anzugeben, bei der sich die Schichtladung ohne Zuhilfenahme eines Druckladers aufbauen läßt.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist Gegenstand des Unteranspruchs.

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65 Von der Erfindung wird somit eine Brennkraftmaschine angegeben, bei der im Unterschied zu der bekannten ein Hin- und Herströmen von Gas aus der Brennkammer in die Nebenkammer und zurück stattfindet Die Maschine arbeitet mit nur einem Brenngaszuführungssystem, nämlich jenem, das mageres Gemisch durch das Einlaßventil in die Brennkammer einströmen läßt Aus dieser Gasfüllung wird zum Aufbau einer Schichtladung eine Teilmenge in die Nebenkammer gedrückt und dort während des Verbrennungstaktes, des Auslaßtaktes und des nachfolgenden Einlaßtaktes zwischengespeichert und gleichzeitig mittels des dorthin zusätzlich eingespritzten Kraftstoffs zu einem fetten Gemisch umgewandelt das — nun erst vergleichbar mit dem Verfahren bei der bekannten Maschine — zum Aufbau einer Schichtladung während des Verdichtungstaktes des nachfolgenden Arbeitszyklus verwendet wird.

Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsformen näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform;

F i g. 2 eine Ansicht des Zylinderkopfes der Maschine nach F i g. 1 von unten;

F i g. 3 eine graphische Darstellung der Zeitsteuerung von Einlaßventil, Auslaßventil und Hilfsventil zwischen Brennkammer und Ladekammer;

Fig.4 eine graphische Darstellung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses von Gemischen, die in der Brennkammer und in der Ladekammer erzeugt werden;

F i g. 5 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform.

Die F i g. 1 und 2 zeigen einen Zylinderblock 1 mit einem in einer Zylinderbohrung 3 geführten Kolben 2, einen auf dem Zylinderblock 1 unter Zwischenlage einer Dichtung 5 befestigten Zylinderkopf 4 und eine Brennkammer 6, die von dem Kolben 2 und dem Zylinderkopf 4 begrenzt wird. Weiterhin sind ein Einlaßventil 7, ein Auslaßventil 8, ein Einlaßkanal 9 und ein Auslaßkanal 10 erkennbar. Ferner sind dargestellt ein Vergaser 11, eine Drosselklappe 12 und eine Zündkerze 13. Wie F i g. 1 zeigt ist im Zylinderkopf 4 eine Nebenkammer 14 ausgebildet die über einen Kanal 16 mit der Brennkammer 6 verbunden ist Zwischen der Nebenkammer 14 und dem Kanal 16 ist ein Hilfsventil 15 angeordnet daß von einem hier nicht dargestellten Antrieb betätigbar ist Wie aus den F i g. 1 und 2 erkennbar ist, öffnet sich der Kanal 16 in die keilförmig ausgebildete Brennkammer 6 in Richtung auf deren Mittenbereich. Der Nebenkammer 14 ist eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung 17 zugeordnet die am Zylinderkopf 4 befestigt ist und mit einer von einem Motor angetriebenen Kraftstoffpumpe 18 verbunden ist Die Menge des in die Nebenkammer 14 eingespritzten Kraftstoffs wird durch eine Steuereinrichtung 19 beeinflußt

Fig.3 zeigt die Zeitabstimmung der Öffnung des Einlaßventils 7, des Auslaßventils 8 und des Hilfsventil 15 zwischen der Nebenkammer und der Brennkammer. In F i g. 3 zeigt die Ordinate L den Ventilhub und die Abszisse den Kurbelwinkel der Kurbelwelle an, die von dem Kolben 2 angetrieben wird. A steht für das Einlaßventil 7, B für das Hilfsventil 15 und C für das Auslaßventil 8. In Fig.3 erkennt man, daß das Hilfsventil 15 sich ungefähr zu Beginn des Verdichtungstaktes öffnet und sich am Ende dieses Taktes wieder schließt. In F i g. 3 zeigt der Pfeil D weiterhin die Zeitdauer der Kraftstoffeinspritzung an. Der Zeitpunkt

der Kraftstoffeinspritzung ist so eingestellt, daß die Kraftstoffeinspritzung unmittelbar nach dem Schließen des Hilfsventils 15 beginnt, wie es in F i g. 3 dargestellt ist

Im Betrieb wird während des Einlaßtaktes ein mageres Luft/Kraftstoff-Gemisch oder ein Gemisch mit einem hohen Anteil rezirkulierter Abgase über das Einlaßventil 7 in die Brennkammer 6 eingeleitet Wenn dann danach der Kolben 2 mit der Verdichtung dieses Gasgemischs beginnt, öffnet sich das Hilfsventil 15. In _]0 der Nebenkammer 14 befindet sich ein vom Verdichtungstakt des vorhergehenden Arbeitszyklus in die Nebenkammer 14 eingeführtes, unter hohem Druck stehendes brennbares Gasgemisch. Der Druck in der Brennkammer 6 ist zu Beginn des Verdichtungstaktes andererseits geringer als der atmosphärische Außendruck. Daher ist die Druckdifferenz der Gase in der Nebenkammer Ϊ4 und in der Brennkammer 6 sehr groß und wenn das Hilfsventil 15 nun geöffnet wird, dann strömt das in der Nebenkammer 14 zurückgehaltene brennbare Gemisch mit hoher Geschwindigkeit in die Brennkammer 6. Wenn sich dann der Kolben 2 nach oben bewegt und der Druck in der Brennkammer 6 höher wird als der in der Nebenkammer 14, dann wird wieder brennbares Gemisch in die Nebenkammer 14 gedruckt. Mit zunehmender Verdichtung steigt der Druck sowohl in der Brennkammer 6 als auch in der noch offenen Nebenkammer 14 an. Am Ende des Verdichtungstaktes schließt das Hilfsventil 15. Sodann wird das brennbare Gasgemisch in der Brennkammer 6 durch die Zündkerze 13 gezündet und die Verbrennung beginnt

Wie F i g. 3 zeigt, wird andererseits Kraftstoff von der Einspritzeinrichtung 17 nach dem Schließen des Hilfsventils 15 in die Nebenkammer 14 eingespritzt. Da in der Nebenkammer 14 während des Verdichtungstaktes eine adiabatische Verdichtung stattfindet, wird die Temperatur des brennbaren Gemischs in der Nebenkammer 14 relativ hoch und als Folge davon verdampft der in die Nebenkammer 14 eingespritzte Kraftstoff augenblicklich. In der Nebenkammer 14 wird daher ein Brenngasgemisch erzeugt, das fetter ist als jenes in der Brennkammer 6. Während der ersten Hälfte des Verdichtungstaktes des nachfolgenden Arbeitszyklus wird dann dieses fettere Gemisch in die Brennkammer 6 ausgelassen. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich der Kolben 2 in einer unteren Lage. Der obere Bereich der Brennkammer 6 wird daher mit einem fetteren Gemisch gefüllt als der untere Bereich. In der Brennkammer 6 ist eine Schichtladung vorhanden. Während eier ersten Hälfte des Verdichtungstaktes dauert das Einfließen fetteren Gemisches aus der Nebenkammer 14 in die Brennkammer 6 an. Kurz nach der Beendigung des Ausfließens fetteren Gemischs aus der Nebenkammer 14 wird das Brenngasgemisch in der Brennkammer 6 durch die Zündkerze 13 gezündet. Da das Zeitintervall zwischen dem Abschluß des Aufbaues einer Schichtladung in der Brennkammer und der Zündung kurz ist, bleibt der geschichtete Zustand in der Brennkammer solange aufrecht, bis die Zündung erfolgt Pa der Raum ^o um die Elektrodenstrecke der Zündkerze 13 zum Zeitpunkt der Zündung mit relativ fettem Gemisch erfüllt ist, erreicht man eine gute Zündung. Die aus der Nebenkammer 14 ausströmende Gasströmung ruft weiterhin eine starke Turbulenz in der Brennkammer 6 {,5 hervor, die eine Steigerung der Verbrennungsgeschwindigkeit zur Folge hat.

F i g. 4 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Brenngasgemischs in der Brennkammer 6 und dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Brenngasgemischs in der Nebenkammer 14, d.h. zwischen der Kraftstoff menge, die vom Vergaser 11 zugeführt worden ist, und der Kraftstoffmenge, die von der Einspritzeinrichtung 17 zugeführt worden ist In F i g. 4 steht die Ordinate AJF für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis und die Abszisse gibt das Verhältnis zwischen der Kraftstoffmenge, die von der Einspritzeinrichtung 17 zugeführt wird, zur Kraftstoffmenge, die vom Vergaser 11 und der Einspritzeinrichtung 17 zusammen zugeführt wird, an. Null Prozent bedeutet demnach, daß Kraftstoff nur vom Vergaser 11 zugeführt wird, während 100 Prozent bedeutet, daß Kraftstoff nur von der Einspritzeinrichtung 17 zugeführt wird. Außerdem zeigt in F i g. 4 die Kurve F den Mittelwert eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses des Gemischs an, das in der Brennkammer 6 gebildet wird, während die Kurve G ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis eines Gemischs darstellt das in der Nebenkammer 14 gebildet wird. Bei einer Brennkraftmaschine gemäß den Ausführungsbeispielen werden die vom Vergaser 11 und von der Einspritzeinrichtung 17 zugeführten Kraftstoffmengen so gesteuert, daß der Mittelwert der Luft/Kraftstoff-Verhältnisse der in der Brennkammer 6 und der Nebenkammer 14 gebildeten Gemische etwa 16:1 beträgt, wie es die gestrichelte Linie in F i g. 4 zeigt

Um die Verdampfung des von der Einspritzeinrichtung 17 zugeführten Kraftstoffs zu verbessern, ist es vorteilhaft, wenn die Einspritzung des Kraftstoffs durch die Einspritzeinrichtung 17 unmittelbar nach dem Schließen des Hilfsventils 15 stattfindet, wie es durch den Pfeil Din F i g. 3 dargestellt ist

Fig.5 zeigt eine weitere Ausführungsform der in F i g. 1 dargestellten Maschine. Gemäß F i g. 5 ist ein langer Kanal 24 mit geringem Querschnitt im Zylinderkopf 4 und in der Außenwand des Abgasrohres 23 ausgebildet. Die Nebenkammer besteht aus zwei Teilkammern 14, 25, die über diesen langen Kanal 24 verbunden sind. Während des Betriebes fließt das in die vordere Teilkammer 14 gedrückte Ansauggas mit hoher Geschwindigkeit durch den Kanal 24 in die hintere Teilkammer 25 während der zweiten Hälfte des Verdichtungstaktes. Dieses Gas fließt dann in der ersten Hälfte des Verdichtungstaktes des nachfolgenden Arbeitszyklus mit hoher Geschwindigkeit durch den Kanal 24 und durch die vordere Teilkammer 14 hindurch in die Brennkammer 6 zurück. Da das Ansauggas im Kanal 24 mit hoher Geschwindigkeit strömt, überträgt sich die Strömungsenergie auf dieses Ansauggas und als Folge davon wird die Verdampfung des eingespritzten Kraftstoffs verbessert. Um die Verdampfung des Kraftstoffs weiter zu fördern, verläuft der lange Kanal 24 nahe dem Auslaßkanal 10, um von der Abwärme zu profitieren. Aufgrund der guten Verdampfung des Kraftstoffs ergibt sich eine gute Zündung und Verbrennung.

Neben den schon beschriebenen Vorteilen soll noch erwähnt werden, daß die Maschine auch gute Kaltstarteigenschaften aufweist Die Temperatur des Ansauggases, das in die Nebenkammer eingeführt wird, steigt schnell an. Dies begünstigt die Verdampfung des Kraftstoffs, der in die Nebenkammer eingeleitet wird, noch bevor die Maschine voll aufgewärmt ist. Man erhält so eine gute Zündung auch bei relativ kalter Maschine. Da die Verdampfung des Kraftstoffs insgesamt beachtlich verbessert ist, haben Unterschiede in der Flüchtigkeit von Kraftstoffen keinen Einfluß auf

die Zünd- und Verbrennungseigenschaften. Die Maschine wird damit für eine große Vielfalt von Kraftstoffen verwendbar. Da der Druck in der Nebenkammer zwischen 5 und 6 kg/cm² beträgt, kann ein Niederdruckventil als Kraftstoffeinspritzeinrichtung oder ein sich automatisch öffnendes Kraftstoffventil verwendet werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ventilgesteuerte, fremdgezündete, mageres Brenngasgemisch ansaugende Hubkolbenbrennkraftmaschine für Schichtladungsbetrieb mit einer Nebenkammer im Zylinderkopf, die mit einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung versehen und gegen die Brennkammer mittels eines sich zu Beginn des Verdichtungstaktes öffnenden Hilfsventil abschließbar ist, in dessen Nähe in der Brennkammer _!0 die Zündkerzenelektroden angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenkammer (14; 14, 24, 25) von den öffnungen für das Hilfsventil (15) und die Kraftstoffeinspritzeinrichtung (17) abgesehen, allseitig geschlossen ist, und daß ihr anmittelbar nach dem gegen Ende des Verdichtungstaktes stattfindenden Schließen des Hitfsventils (15) der Kraftstoff eingespritzt ist

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenkammer aus zwei Teilkammern (14,25) besteht, die durch einen langen Verbindungskanal (24) miteinander verbunden sind, der nahe dem Auslaßkanal (10) verläuft