DE69506839T2

DE69506839T2 - Vorbrennkammer mit Wärmedämmung

Info

Publication number: DE69506839T2
Application number: DE69506839T
Authority: DE
Inventors: Hideo Kouza-Gun Kanagawa-Ken 253-01 Kawamura; Takatoshi Sagamihara-Shi Kanagawa-Ken 228 Sugano
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1995-03-10
Filing date: 1995-03-10
Publication date: 1999-06-24
Anticipated expiration: 2015-03-11
Also published as: EP0731263B1; EP0731263A1; DE69506839D1; DE731263T1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen wärmeisolierenden Aufbau für Wirbelkammern mit heißen Kerzen, die in in einem Zylinderkopf ausgebildeten Hohlräumen vorgesehen sind.
Ein Wirbelkammermotor bzw. eine Wirbelkammer-Wärmekraftmaschine gemäß Fig. 5 ist bekannt. In einem Wirbelkammermotor werden Wirbelkammern 52 durch zweigeteilte Glieder gebildet, d.h. obere Glieder 55 und untere Glieder 54, die in Hohlräumen 58 vorgesehen sind, welche in einem an einem Zylinderblock 56 befestigten Zylinderkopf 53 ausgebildet sind, wie in Fig. 5 gezeigt. Das obere und untere Glied 55, 54 sind mit Luftschichten 60 versehen, die zwischen diesen Gliedern 55, 54 und den Hohlräumen 58 gebildet sind. Die oberen Glieder 55 sind mit Kraftstoffeinspritzdüsen 57 und Glühkerzen (glow plugs) 59 versehen, und die unteren Glieder 54 bilden heiße Kerzen (hot plugs) mit Verbindungskanälen 61, welche die Wirbelkammern 52 mit den Hauptkammern 51 verbinden, die in Zylindern ausgebildet sind. Um die oberen und unteren Glieder 55, 54 in den Hohlräumen 58 im Zylinderkopf 53 zu fixieren, werden Metallringe 62 verwendet. Die Metallringe 62 werden in abgestufte Abschnitte 63 der Hohlräume im Zylinderkopf 53 derart eingepaßt, daß sie die unteren Glieder 54 durch Druckausübung auf dieselben verstärken und dieselben auch positionieren.
Ein Wirbelkammermotor gemäß Fig. 6 ist ebenfalls bekannt. Bei diesem Wirbelkammermotor (oder Wirbelkammer-Wärmekraftmaschine) werden Wirbelkammern 72 durch zweigeteilte Glieder gebildet, d.h. obere Glieder 75 und untere Glieder 74, die in Hohlräumen 78 vorgesehen sind, welche in einem Zylinderkopf 73 ausgebildet sind, der an einem Zylinderblock 76 befestigt ist, wie in Fig. 6 gezeigt. Die oberen und unteren Glieder 75,74 sind in den Hohlräumen 78 mit Luftschichten 80 versehen, welche zwischen diesen Gliedern 75,74 und den Hohlräumen 78 ausgebildet sind. Die oberen Glieder 75 sind mit Kraftstoffeinspritzdüsen 77 und Glühkerzen 79 versehen, und die unteren Glieder 74 bilden heiße Kerzen mit Verbindungskanälen 81, welche die Wirbelkammern 72 und die Hauptkammern 71 verbinden, die in Zylindern ausgebildet sind. Metallringe 70 sind rings um die Umfangsabschnitte der oberen und unteren Glieder 75,74 eingepaßt. Die Metallringe 70 sind mit Flanschabschnitten 69 versehen, die an ihren unteren Teilen einstückig mit denselben ausgebildet sind, und die Einstellflanschteile 69 sind in abgestuften Abschnitten 82 der Hohlräume im Zylinderkopf 73 durch Preßsitz eingefügt, so daß die Metallringe 70 in den abgestuften Abschnitten 82 der Hohlräume im Zylinderkopf 73 fixiert sind.
Die Japanische Gebrauchsmuster-Offenlegungsschrift Nr. 45816/ 1979 beschreibt einen Wirbelkammeraufbau für Dieselmotoren. Bei diesem Wirbelkammeraufbau für Dieselmotoren wird ein eine Wirbelkammer bildender Dom in eine untere Fläche eines Zylinderkopfes eingepaßt, und ein Mundstück mit einem Ausstoßkanal ist an dieser unteren Fläche befestigt, wobei eine isolierende Luftschicht zwischen dem Zylinderkopf und einer Außenfläche des Doms ausgebildet ist.
Wie oben beschrieben, verwenden bekannte Wirbelkammern für Dieselmotoren einen Aufbau, bei welchem Mundstücke zwischen den Hauptverbrennungskammern und den Wirbelkammern vorgesehen sind, die wärmeisoliert sind. Solche Wirbelkammern bestehen insgesamt aus einem Keramikmaterial, wie Siliziumnitrid, in einem wärmeisolierenden Aufbau, wobei die Leistung und Tieftemperatur-Startfähigkeit des Motors verbessert sind. Es wurde gefunden, daß zur Bildung von Wirbelkammern in einem wärmeisolierenden Aufbau Luftschichten rings um die äußeren Umfangsflächen der die Wirbelkammern bildenden heißen Kerzen wirksam sind.
DE 35 29 905, welche den nächstliegenden Stand der Technik bildet, beschreibt einen wärmeisolierenden Aufbau für Wirbelkammern mit einem Zylinderblock und heißen Kerzen, die in Hohlräumen vorgesehen sind, welche in einem Zylinderkopf ausgebildet sind und eine Wirbelkammer bilden.
Ein Hauptziel der Erfindung ist die Lösung dieser Probleme und die Schaffung eines wärmeisolierenden Aufbaus für Wirbelkammern, in welchem Wirbelkammern bildende heiße Kerzen aus einem hitzebeständigen Keramikmaterial gebildet und in in einem Zylinderkopf ausgebildeten Hohlräumen vorgesehen sind, wobei ein Kontaktbereich der äußeren Umfangsflächen der heißen Kerzen und der Außenflächen des Zylinderkopfes und des Zylinderblocks geeignet eingestellt sind, wodurch der Grad der Wärmeisolierung der Wirbelkammern und die Tieftemperatur-Startfähigkeit und Leistung des Motors verbessert werden.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines wärmeisolierenden Aufbaus für Wirbelkammern, mit einem Zylinderkopf, der auf einem Zylinderblock über eine Dichtung befestigt ist, mit heißen Kerzen, die in den Hohlräumen im Zylinderkopf vorgesehen sind und Wirbelkammern bilden, Einspritzdüsen zum Einspritzen eines Kraftstoffs in einem zerstäubten Zustand in die Wirbelkammern sowie Luftschichten, die zwischen den heißen Kerzen und Innenflächen der Hohlräume im Zylinderkopf gebildet sind, wobei die heißen Kerzen aus einem hitzebeständigen Material bestehen, wobei eine Kontaktfläche der äußeren Umfangsflächen der heißen Kerzen und die den Hohlraum bildende Wandfläche des Zylinderkopfes und Abschnitte, die einer oberen Fläche des Zylinderblocks gegenüberliegen und die Wärme direkt oder indirekt übertragen, auf nicht mehr als 1/5, d.h. 20% der gesamten Außenfläche der heißen Kerzen eingestellt wird.
Die Erfindung schafft einen wärmeisolierenden Aufbau für Wirbelkammern, mit einem Zylinder enthaltenden Zylinderblock, einem auf dem Zylinderblock über eine Dichtung befestigten Zylinderkopf, heiße Kerzen (hot plugs), welche in im Zylinderkopf gebildeten Hohlräumen vorgesehen sind, Wirbelkammern bilden und aus einem hitzebeständigen Material hergestellt sind, in den heißen Kerzen ausgebildeten Verbindungskanälen, welche die Wirbelkammern und die Zylinder miteinander verbinden, Befestigungsringen, die in abgestufte Abschnitte der im Zylinderkopf gebildeten Hohlräume eingepaßt sind, um die heißen Kerzen in den Hohlräumen des Zylinderkopfes festzulegen, Einspritzdüsen zum Einspritzen eines Kraftstoffs in zerstäubtem Zustand in die Wirbelkammern sowie mit Dichtungsringen, die zwischen den äußeren Umfangsflächen der heißen Kerzen und den Hohlräumen derart vorgesehen sind, daß sie zwischen den heißen Kerzen und den Hohlräumen gebildete wärmeisolierende Luftschichten abdichten, dadurch gekennzeichnet, daß jede der heißen Kerzen einen oberen Teil, einen unteren Teil und eine Heißkerzendichtung zwischen dem oberen und dem unteren Teil aufweist, die wärmeisolierenden Luftschichten zwischen den Außenflächen der heißen Kerzen und den Hohlräumen ferner mit den Heißkerzendichtungen abgedichtet sind, die zwischen die oberen und unteren Teile eingefügt sind, wobei die Summe der Flächen von Kontaktteilen der heißen Kerzen und der Hohlräume in dem Zylinderkopf und derjenigen der Kontaktteile der heißen Kerzen und des Zylinderblocks auf im wesentlichen nicht mehr als 20% der Gesamtfläche der Außenflächen der heißen Kerzen eingestellt ist, wodurch das Wärmeisoliervermögen der heißen Kerzen vergrößert wird, indem die ingesamt übertragene Wärmemenge von den heißen Kerzen zum Zylinderkopf und zum Zylinderblock reduziert wird.
Bei einer Ausführungsform des wärmeisolierenden Aufbaus für Wirbelkammern sind Teile der oberen Flächen der heißen Kerzen am Zylinderkopf und Teile von unteren Flächen derselben am Zylinderblock über eine Dichtung abgestützt, wobei untere Abschnitte der heißen Kerzen am Zylinderkopf über Festlegungsringe fixiert sind, untere äußere Umfangsabschnitte der heißen Kerzen am Zylinderkopf über Befestigungsringe fixiert sind und wobei die Luftschichten so abgedichtet sind, daß der Eintritt eines Gases in dieselben verhindert wird.
Dementsprechend umfaßt die Kontaktfläche der äußeren Umfangsflächen der heißen Kerzen und die hohlraumbildende Wandfläche des Zylinderkopfes und der Abschnitte, die einer oberen Fläche des Zylinderblocks gegenüberliegen, wenigstens Kontaktabschnitte der unteren Flächen der heißen Kerzen und eine obere Fläche von Zylinderblock und Dichtung, Kontaktteile der heißen Kerzen und Festlegungsringe und Kontaktabschnitte der oberen Flächen der heißen Kerzen und hohlraumbildende Wandflächen des Zylinderkopfes.
Die zwischen den Außenflächen der heißen Kerzen und den hohlraumbildenden Wandflächen gebildeten Luftschichten sind mit Dichtungsringen abgedichtet, die zwischen den äußeren Umfangsflächen der heißen Kerzen und hohlraumbildenden Wandflächen vorgesehen sind, und hitzebeständige Dichtungen sind zwischen den oberen und unteren geteilten Gliedern der heißen Kerzen vorgesehen. Daher werden Temperatur und Druck der Luftschichten niedriger als diejenigen im Inneren der Verbrennungskammern (Wirbelkammern und Hauptkammern), so daß der Wärmeübertragungskoeffizient der Luftschicht reduziert werden kann.
Die Wärmeabstrahlung von dem wärmeisolierenden Aufbau für Wirbelkammern ist die folgende. Q sei gleich einem Wärmestrahlungsbetrag der heißen Kerzen. Q wird dann ausgedrückt durch:
Q = K·B·(Tg-Ta)
wobei K den Gesamtwärmeübertragungskoeffizienten; B die Wärmestrahlungsfläche; Tg die Temperatur eines Gases in den Wirbelkammern; und Ta die Temperatur von Kühlwasser ist, das in einem im Zylinderkopf gebildeten Wassermantel umgewälzt wird.
Bezüglich der Wärmeleitfähigkeit eines Gegenstandes wird die Wärmeströmung von einem Hochtemperaturbereich zu einem Tieftemperaturbereich ständig beherrscht von einem Gesamtwärmeübertragungskoeffizienten (Einheit: kcal/m²·h·ºC).
Der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient K wird ausgedrückt durch die folgende Gleichung.
wobei λ&sub1; den Wärmeübertragungskoeffizienten des Keramikmaterials darstellt, welches die heißen Kerzen bildet; λ&sub2; die komplexe Wärmeleitfähigkeit der Luftschichten und Dichtungen; λ&sub3; die Wärmeleitfähigkeit eines Metalls, wie Gußeisen, das den Zylinderkopf bildet; αa den Wärmeübertragungskoeffizienten des Kühlwassers, das in dem im Zylinderkopf gebildeten Wassermantel umgewälzt wird; und αg den Wärmeübertragungskoeffizienten des Verbrennungsgases in den Wirbelkammern zu den Wandflächen derselben. Wie in Fig. 4 gezeigt, stellt δ&sub1; die Dicke der heißen Kerzen, δ&sub2; die Größe eines Zwischenraums, in welchem Luftschichten vorhanden sind, und δ&sub3; den Abstand zwischen den hohlraumbildenden Wandflächen und dem Wassermantel dar.
Wenn typische Werte in die Bestandteile der obigen Gleichung substituiert werden, ist ersichtlich, daß das Beitragsverhältnis des Wärmeübertragungskoeffizienten αg des Verbrennungsgases hoch ist und daß 1/αg etwa zehnmal so groß ist wie δ&sub1;/λ&sub1; und δ&sub3;/λ&sub3;. Der Wert von δ&sub2;/λ&sub2; wird erläutert. Der Wärt von λ&sub2; kann folgendermaßen angenommen werden. λ&sub2; ist ein komplexer Wert der Wärmeleitfähigkeiten der Luft und Dichtungen, und λ&sub1;, λ&sub3; sowie αa haben geringe Beitragsverhältnisse, die 2-3 Hundertstel (d.h. 2-3/100) von 1/αg betragen.
Der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient K ist ein komplexer Wert der Wärmeleitfähigkeit und des Wärmeübertragungskoeffizienten der Luft und wird stark beeinflußt insbesondere durch die Kontaktfläche der heißen Kerzen und des Zylinderblocks, d.h. die Kontaktfläche der heißen Kerzen und des Zylinderblocks sowie der dafür verwendeten Materialien.
Die Wärmeleitfähigkeit der Luft beträgt 0,00005 cal/s· cm²·ºC, während die Wärmeleitfähigkeit von Siliziumnitrid 0,004 cal/s·cm2·ºC ist, wobei das Verhältnis der Wärmeleitfähigkeit von Luft zu derjenigen von Siliziumnitrid 0,00005/0,004 = 1/80 ist. Daher kann gesagt werden, daß hauptsächlich den Dichtungen Aufmerksamkeit gewidment werden muß.
Der Wert von λ&sub2; kann ausgedrückt werden durch eine Funktion der Fläche, d.h. durch die folgende Gleichung:
wobei A&sub1;x einen äußeren Umfangsflächenbereich der heißen Kerzen, A&sub2;x die Gesamtwärmeübertragungsfläche der Dichtungen, welche die äußeren Umfangsflächen der heißen Kerzen kontaktieren; und λa die Wärmeleitfähigkeit der äußeren Umgebungsluft darstellen.
Wenn A&sub2;x unendlich klein wird, kann angenommen werden, daß der Wert von λ&sub2; gleich λa ist, da der Wert von λa klein ist. Wenn A&sub2;x auf nicht mehr als einen bestimmten Wert reduziert wird, wird es zu einem dominierenden Faktor der Wärmeströmung, so daß die Reduktion der Gesamtwärmeübertragungsfläche eine Steigerung des Wärmeisoliervermögens der heißen Kerze bewirkt.
Die Gesamtwärmeübertragungsfläche entspricht der Fläche der Teile der heißen Kerzen, welche die Dichtung an der oberen Fläche des Zylinderblocks oder die obere Fläche des Zylinderblocks direkt kontaktieren.
Wenn der Wert von 1/αg auf 100% eingestellt wird, und wenn der Wert der Gesamtwärmeübertragungsfläche A&sub2;x auf 1/5 von derjenigen der äußeren Umfangsfläche der heißen Kerzen reduziert werden kann, erhöht sich δ&sub2;/λ&sub2; von 20% auf 92%, und der Wert des Gesamtwärmeübertragungskoeffizienten K wird etwa 52% als Ausgangswert, wobei die Wärmeströmung von den heißen Kerzen nach außen auf 52% abfällt.
Wenn daher nicht die Fläche der Kontaktabschnitte der äußeren Umfangsflächen der heißen Kerzen und der die heißen Kerzen umgebenden Außenwandfläche auf nicht mehr als 1/5, d.h. 20% von derjenigen der ganzen Außenfläche der heißen Kerzen, eingestellt wird, kann die Wärmeströmung von den heißen Kerzen nicht auf nicht mehr als die Hälfte reduziert werden.
Wenn daher im wärmeisolierenden Aufbau für Wirbelkammern gemäß der Erfindung die Fläche der Kontaktteile der äußeren Umfangsflächen der heißen Kerzen und der äußeren Wandfläche auf nicht mehr als 1/5, d.h. 20% der Gesamtfläche der Außenflächen der heißen Kerzen eingestellt wird, ergibt sich ein optimaler wärmeisolierender Aufbau.
Da dieser wärmeisolierende Aufbau für Wirbelkammern in der oben beschriebenen Weise konstruiert ist, ist es möglich, die von den heißen Kerzen zum Zylinderkopf und Zylinderblock abgestrahlte Wärmemenge auf nicht mehr als die Hälfte zu reduzieren, die Startzeit stark zu reduzieren, wenn die Temperatur niedrig ist, die Tieftemperatur-Startfähigkeit zu verbessern und die Motorleistung durch Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades zu verbessern.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr lediglich beispielhaft mit Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 einen Schnitt einer Ausführungsform des wärmeisolierenden Aufbaus für Wirbelkammern gemäß der Erfindung,
Fig. 2 eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Wärmeleitfähigkeit 1 und dem Gesamtwärmeübertragungskoeffizienten K der äußeren Umfangsflächen der heißen Kerzen, welche die Wirbelkammern bilden, darstellt,
Fig. 3 eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Fläche von Kontaktteilen der Außenflächen der heißen Kerzen, welche die Wirbelkammern bilden, und der Außenwände sowie der Startzeit darstellt,
Fig. 4 eine Darstellung zur Beschreibung eines Gesamtwärmeübertragungskoeffizienten eines wärmeisolierenden Aufbaus für Wirbelkammern gemäß der Erfindung,
Fig. 5 einen Schnitt eines Beispiels der Konstruktion einer bekannten Wirbelkammer, und
Fig. 6 einen Schnitt eines weiteren Beispiels der Konstruktion einer bekannten Wirbelkammer.
Eine Ausführungsform eines wärmeisolierenden Aufbaus für Wirbelkammern gemäß der Erfindung wird nunmehr mit Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Eine Ausführungsform des wärmeisolierenden Aufbaus für Wirbelkammern gemäß der Erfindung wird mit Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben.
Ein Wirbelkammermotor gemäß Fig. 1 weist Zylinderlaufbuchsen 21 auf, die in die Bohrungen 18 in einem Zylinderblock 6 eingepaßte Zylinder 22 bilden, einen am Zylinderblock 6 über eine Dichtung 23 befestigten Zylinderkopf 3 sowie heiße Kerzen 8, welche Wirbelkammern 2 bilden und in Hohlräumen 11 vorgesehen sind, die im Zylinderkopf 3 gebildet sind. Die heiße Kerze 8 hat einen vertikal zweigeteilten Aufbau und weist einen oberen Teil (Heißkerzen-Oberteil) 5 und einen unteren Teil (Heißkerzen-Unterteil) 4 auf, die aus einem hitzebeständigen Keramikmaterial, wie Siliziumnitrid, hergestellt sind. Zwischen dem oberen und unteren Teil 5,4 ist eine Heißkerzendichtung 10 aus einem Material, wie einer hitzebeständigen Legierung, die Elastizität und einen hohen Wärmewiderstand besitzt, eingeschaltet. Die Dichtung 10 ist so geformt, daß sie einen U-förmigen Querschnitt besitzt und sich in der Wirbelkammer 2 öffnet, wodurch eine Ringnut, die zur Ausführung der Wirbelführungsfunktion geeignet ist, in der Wirbelkammer 2 gebildet wird. Der Oberteil 5 ist mit einer Kraftstoffeinspritzbohrung 12 versehen, in welche eine Einspritzdüse 15 eingebaut ist, sowie eine Kerzenbohrung 13, in die eine Glühkerze 14 eingebaut ist. Der Unterteil 4 ist mit einem Verbindungskanal 7 zur Verbindung der Wirbelkammer 2 mit einer Hauptverbrennungskammer 1 versehen.
Der Wärmeisolierungsaufbau für diese Wirbelkammer weist eine abgeschrägte Fläche 17 an einer äußeren Umfangsseite eines oberen Abschnitts des Oberteils 5 und einen Festlegungsring 9 auf, der mit Preßsitz in einem abgestuften Abschnitt 28 im unteren Teil eines Hohlraums 11 im Zylinderkopf 3 sitzt. Der Festlegungsring 9 besteht aus einem Metall, wie SUS und Gußeisen. Um den oberen und unteren Teil 5,4 im Hohlraum 11 im Zylinderkopf 3 zu positionieren, ist die Dichtung 10 zwischen Ober- und Unterteil 5,4 eingefügt, und eine obere Fläche 19 des Oberteils 5 ist auf einer Wandfläche des Hohlraums 11 im Zylinderkopf 3 abgestützt, wobei eine untere Fläche des Unterteils 4 mit dem Festlegungsring 9 so in Kontakt gebracht ist, daß die Kontaktfläche soweit wie möglich reduziert wird. Eine wärmeisolierende Luftschicht 20 ist im ganzen Bereich zwischen den Außenflächen des Ober- und Unterteils 5,4 und einer Wandfläche des Hohlraums 11 gebildet. Der Zylinderkopf 3 ist mit einem Wassermantel 16 versehen, in welchem Kühlwasser umgewälzt wird.
In einem unteren Teil der heißen Kerze 8 ist ein Dichtungsring 27 zwischen der äußeren Umfangsfläche des Unterteils 4 und einer Wandfläche des Hohlraums 11 im Zylinderkopf 3 vorgesehen. In denjenigen Abschnitten des Oberteils 5, die rings um eine Kraftstoffeinspritzbohrung 12 und eine Kerzenbohrung 13 angeordnet sind, sind Dichtungsringe 27 zwischen der äußeren Umfangsfläche des Oberteils 5 und der Wandfläche des Hohlraums 11 im Zylinderkopf 3 vorgesehen. Daher ist die wärmeisolierende Luftschicht 20 im wesentlichen vollständig von der Hauptverbrennungskammer 1 und der Wirbelkammer 2 abgeschlossen, und es strömt kein Kraftstoffgas von der Hauptverbrennungskammer 1 und der Wirbelkammer 2 in die wärmeisolierende Luftschicht 20. Dies ermöglicht eine Tieferlegung von Temperatur und Druck der wärmeisolierenden Luft schicht 20 bezüglich den Werten in der Hauptverbrennungskammer 1 und der Wirbelkammer 2 sowie eine Reduzierung des Wärmeübertragungskoeffizienten der wärmeisolierenden Luftschicht 20.
In diesem wärmeisolierenden Aufbau für Wirbelkammern ist eine Dichtung 10 zwischen den Ober- und Unterteil 5,4 eingefügt, wie oben erwähnt, und die Einstellung eines Oberflächendrucks des Metallrings 9 bezüglich des Ober- und Unterteils 5,4 läßt sich leicht durchführen, so daß die Positionierung des Ober- und Unterteils 5,4 in seitlicher Richtung, d.h. in Richtung nach links und rechts im Hohlraum 11, genau ausgeführt werden kann. Die Heißkerzendichtung 10 hat auch die Funktion, das Einströmen von Gas in die Luftschicht zu verhindern.
Eine Senkung des Oberflächendrucks des Festlegungsrings 9 zum Ober- und Unterteil 5,4 ist gering auch in Hinsicht auf den Abrieb zwischen dem Ober- und Unterteil 5,4, welcher infolge von wiederholten thermischen Belastungen der gleichen Teile 5,4 eintritt. Der Festlegungsring 9 hat eine kleine Kontaktfläche bezüglich des Unterteils 4, und die wärmeisolierende Luftschicht 20 wird zwischen den äußeren Umfangsflächen des Ober- und Unterteils 5,4 und der Wandfläche des Hohlraums 11 gebildet. Dementsprechend kann die Wärmeübertragung vom Ober- und Unterteil 5,4 zum Zylinderkopf 3 durch den Festlegungsring 9 minimal gemacht werden, und das Ausmaß der Wärmeisolierung der Wirbelkammer 2 kann erhöht werden.
In diesem wärmeisolierenden Aufbau für Wirbelkammern bestehen der Ober- und Unterteil 5,4, die die heiße Kerze 8 bilden, aus einem Keramikmaterial, wie einem wärmeisolierenden Siliziumnitrid, wobei die Fläche von Kontaktabschnitten einer äußeren Umfangsfläche 24 der heißen Kerze 8 und ihrer Außenwand, d.h. die Fläche von Kontaktteilen einer oberen Fläche 19, d.h. einer oberen Fläche der heißen Kerze 8 und der Wandfläche des Hohlraums 11 im Zylinderkopf 3 plus der Fläche von Kontaktteilen einer unteren Fläche 26 der heißen Kerze 8 und einer Dichtung 23 an einer oberen Fläche 25 des Zylinderblocks 6 wird auf nicht mehr als 1/5, d.h. 20% der gesamten Außenfläche der heißen Kerze 8, eingestellt.
Bei dieser Ausführungsform entsprechen die direkten Kontaktflächen der äußeren Umfangsfläche 24 der heißen Kerze 8 und der Außenwände einschließlich des Zylinderkopfs 3 und Zylinderblocks 6 und die indirekten Kontaktteile der ersterer, die an der letzteren über die Dichtung 23, den Festlegungsring 9 und die Dichtungsringe 27 anliegen, den beispielsweise in Figur mit dem Bezugszeichen B bezeichneten Bereichen.
In diesem wärmeisolierenden Aufbau für Wirbelkammern ist ein Teil der oberen Fläche 19 der heißen Kerze auf dem Zylinderkopf 3 und ein Teil der unteren Fläche 26 derselben am Zylinderblock 6 abgestützt, wobei der untere Abschnitt der heißen Kerze 8 am Zylinderkopf 3 durch den Festlegungsring 9 festgelegt ist. Die Kontaktabschnitte der äußeren Umfangsfläche 24 der heißen Kerze 8 und der Wandfläche des Hohlraums 11 im Zylinderkopf 3 und der oberen Fläche 25 der Zylinderblocks 6 umfassen mindestens die Kontaktabschnitte der unteren Fläche 26 der heißen Kerze 8 und der oberen Fläche 25 des Zylinderblocks 6, die Kontaktabschnitte (entsprechend den Kontaktflächen des Festlegungsrings 9 und des Zylinderkopfes 3 und des Zylinderblocks 6) des Festlegungsrings 9 und des unteren Abschnitts der heißen Kerze 8 sowie die Kontaktabschnitte der oberen Fläche 19 der heißen Kerze 8 und der Wandfläche des Hohlraums 11 im Zylinderkopf 3.
Dieser wärmeisolierende Aufbau für Wirbelkammern ist in der oben beschriebenen Weise ausgebildet. Der Wert der Wärmeleitfähigkeit der äußeren Umfangsfläche der heißen Kerze 8, d.h. der Wert der Wärmeleitfähigkeit λ&sub2; der Luftschicht 20, die am Außenumfang der heißen Kerze 8 vorhanden ist, wird durch die folgende Flächenfunktion ausgedrückt.
wobei A&sub1;x die Außenfläche der heißen Kerze 8; A&sub2;x die gesamte Wärmeübertragungsfläche der Dichtung 23, welche die äußere Umfangsfläche der heißen Kerze 8 berührt; λa die Wärmeleitfähigkeit der Luft am Außenumfang der heißen Kerze 8; und λg die Wärmeleitfähigkeit des Verbrennungsgases bedeutet.
Der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient K des Außenumfangs der heißen Kerze wird durch Anwendung von λ&sub2; folgendermaßen dargestellt.
wobei die Wärmeleitfähigkeit der heißen Kerze durch λ&sub1; die Wärmeleitfähigkeit der Luftschicht 20 und der Dichtung 23 durch λ&sub2;; die Wärmeleitfähigkeit des Zylinderkopfes durch λ&sub3;; die Wärmeleitfähigkeit des Kühlwassers, das in dem im Zylinderkopf gebildeten Wassermantel 16 umgewälzt wird, durch αa; die Wärmeleitfähigkeit des Verbrennungsgases der Wirbelkammer 2 durch αg; die Dicke der heißen Kerze 8 durch δ&sub1;; ein Zwischenraum, in dem die Luftschicht 20 gebildet ist, durch δ&sub2;; und ein Abstand zwischen der Wandfläche des Hohlraums 11 und dem Wassermantel 16 durch δ&sub3; dargestellt ist. Wenn man δ&sub1; δ&sub2;, δ&sub3; zur Vereinfachung der Berechnungen gleich 1 setzt, ergibt sich:
wobei, wenn A =
Daher ist
Da der Betrag der Strahlungswärme der Beziehung Q = K·A·(Tg- Ta) gehorcht, ist der Betrag der Strahlungswärme Q eine Funktion von K. Wenn daher die Werte von K und λ&sub2; graphisch aufgetragen werden, erhält man die in Fig. 2 gezeigten Ergebnisse.
In Fig. 2 zeigt die horizontale Achse die Wärmeleitfähigkeit λ&sub2; der Wärmeisolierschicht 20 an der äußeren Umfangsfläche 24 der heißen Kerze 8 und der Dichtung 23, und die vertikale Achse zeigt den Gesamtwärmeübergangskoeffizienten K.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, kann eine Wärmeströmung nicht reduziert werden, wenn nicht der Wert von λg nicht größer als 1/4 wird. Wenn daher nicht die gesamte Wärmeübertragungsfläche auf nicht höher als 1/5 eingestellt wird, kann der Erhitzungswert nicht auf nicht mehr als die Hälfte (50%) reduziert werden.
Sodann wurde die Tieftemperatur-Startleistung eines Dieselmotors bestimmt. Die Umgebungstemperatur betrug -20ºC und das Öl war 10W. Ein Dieselmotor mit 1,7 l mit Wirbelkammern 2 wurde verwendet. Die Ergebnisse sind in der graphischen Darstellung der Fig. 3 wiedergegeben.
Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, welche das Tieftemperatur-Startvermögen der Glühkerze 8 darstellt. Die horizontale Achse stellt die Startzeit (s) dar und die vertikale Achse das Verhältnis (%) der Fläche der Kontaktabschnitte der äußeren Umfangsfläche 24 der heißen Kerze 8 und einer Außenwand. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, ermöglicht die Reduktion der Fläche der Kontaktabschnitte der äußeren Umfangsfläche 24 der heißen Kerze 8 eine Verbesserung des Startvermögens.
Aus Fig. 3 geht hervor, daß bei Einstellung der Fläche der Kontaktabschnitte der Außenfläche der heißen Kerze 8 und der Außenwand auf nicht mehr als 1/5, d.h. 20% der Gesamtfläche der Außenfläche der heißen Kerze 8, die Startzeit auf nur 7 bis 8 s reduziert werden kann. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, kann der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient schnell abgesenkt werden. Um die heiße Kerze 8 mit dem wärmeisolierenden Aufbau für Wirbelkammern gemäß der Erfindung mit einer bekannten metallischen heißen Kerze zu vergleichen, ist in Fig. 3 der Bereich des Maximalwerts (nicht weniger als 13 s) der bekannten metallischen heißen Kerze dargestellt.

Claims

1. Wärmeisolierender Aufbau für Wirbelkammern, mit einem Zylinder (22) enthaltenden Zylinderblock (6), einem auf dem Zylinderblock (6) über eine Dichtung (23) befestigten Zylinderkopf (3), Zündkerzen (hot plugs) (8), welche in im Zylinderkopf (3) gebildeten Hohlräumen (11) vorgesehen sind, Wirbelkammern (2) bilden und aus einem hitzebeständigen Material hergestellt sind, in den Zündkerzen (8) ausgebildeten Verbindungskanälen (7), welche die Wirbelkammern (2) und die Zylinder (22) miteinander verbinden, Befestigungsringen (9), die in abgestufte Abschnitte (28) der im Zylinderkopf (3) gebildeten Hohlräume eingepaßt sind, um die Zündkerzen (8) in den Hohlräumen (11) des Zylinderkopfes (3) festzulegen, Einspritzdüsen (14) zum Einspritzen eines Kraftstoffs in zerstäubtem Zustand in die Wirbelkammern (2) sowie mit Dichtungsringen (27), die zwischen den äußeren Umfangsflächen (24) der Zündkerzen (8) und den Hohlräumen (11) derart vorgesehen sind, daß sie zwischen den Zündkerzen (8) und den Hohlräumen gebildete wärmeisolierende Luftschichten (20) abdichten,

dadurch gekennzeichnet, daß jede der Zündkerzen (8) einen oberen Teil (5), einen unteren Teil (4) und eine Zündkerzendichtung (10) zwischen dem oberen und unteren Teil (5,4) aufweist,

die wärmeisolierenden Luftschichten (20) zwischen den Außenflächen der Zündkerzen (8) und den Hohlräumen (11) ferner mit den Zündkerzendichtungen (10) abgedichtet sind,

wobei die Summe der Fläche von Kontaktteilen der Zündkerzen (8) und der Hohlräume (11) in dem Zylinderkopf (3) und derjenigen der Kontaktteile der Zündkerzen (8) und des Zylinderblocks (6) auf im wesentlichen nicht mehr als 20% der Gesamtfläche der Außenflächen der Zündkerzen (8) eingestellt ist, wodurch das Wärmeisoliervermögen der Zündkerzen (8) vergrößert wird, indem die insgesamt übertragene Wärmemenge von den Zündkerzen (8) zum Zylinderkopf (3) und zum Zylinderblock (6) reduziert wird.

2. Wärmeisolierender Aufbau für Wirbelkammern nach Anspruch 1, bei welchem die Zündkerzen (8) aus einem wärmebeständigen Keramikmaterial hergestellt sind.

3. Wärmeisolierender Aufbau für Wirbelkammern nach Anspruch 1, bei welchem die Kontaktteile der Zündkerzen (8) und der Hohlräume (11) im Zylinderkopf (3) direkt aneinander anliegen.

4. Wärmeisolierender Aufbau für Wirbelkammern nach Anspruch 1, bei welchem die Kontaktteile der Zündkerzen (8) und der Hohlräume (11) im Zylinderkopf (3) indirekt über die Dichtungsringe (27) aneinanderliegen.

5. Wärmeisolierender Aufbau für Wirbelkammern nach Anspruch 1, bei welchem die Kontaktteile der Zündkerzen (8) und des Zylinderblocks (6) direkt über die Dichtung (23) aneinanderliegen.

6. Wärmeisolierender Aufbau für Wirbelkammern nach Anspruch 1, bei welchem die Zündkerzen (8) in einem Teil einer oberen Fläche jeder derselben an dem Zylinderkopf (3) gehalten und an einem äußeren Umfangsteil jeder derselben durch die Halteringe (9) am Zylinderkopf (3) festge legt sind, wobei die Dichtungsringe (27) so abgedichtet sind, daß kein Gas in die wärmeisolierenden Luftschichten (20) eindringt.

7. Wärmeisolierender Aufbau für Wirbelkammern nach Anspruch 1, bei welchem die Kontaktteile der Zündkerzen (8) und Hohlräume (11) im Zylinderkopf (3) Kontaktteile der Zündkerzen (8) und der Halteringe (9) sowie solche der oberen Flächen (19) der Zündkerzen (8) und der Hohlräume (11) im Zylinderkopf (3) sind.

8. Wärmeisolierender Aufbau für Wirbelkammern nach Anspruch 1, bei welchem die Kontaktteile der Zündkerzen (8) und des Zylinderblocks (6) Kontaktteile von unteren Flächen (26) der Zündkerzen (8) und einer oberen Fläche (25) des Zylinderblocks (6) und der Dichtung (23) sind.

9. Wärmeisolierender Aufbau für Wirbelkammern nach Anspruch 1, bei welchem die Wirbelkammern (2) mit Starthilfe- Glühkerzen (15) versehen sind.

10. Wärmeisolierender Aufbau für Wirbelkammern nach Anspruch 1, bei welchem die Dichtungsringe (27) längs der Halteringe (9) vorgesehenene Dichtungsringe sind.

11. Wärmeisolierender Aufbau für Wirbelkammern nach Anspruch 1, bei welchem die Dichtungsringe (27) längs der Außenumfänge der Einspritzdüsen (14) vorgesehene Dichtungsringe (27) sind.

12. Wärmeisolierender Aufbau für Wirbelkammern nach Anspruch 11, bei welchem die Dichtungsringe (27) längs der Außenumfänge der Glühkerzen (15) vorgesehene Dichtungsringe (27) sind.