DE69605977T2

DE69605977T2 - Brennkraftmaschine mit Wirbelvorkammer

Info

Publication number: DE69605977T2
Application number: DE69605977T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Hasegawa; Hideaki Ito
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 1995-06-05
Filing date: 1996-06-05
Publication date: 2000-05-31
Anticipated expiration: 2016-06-06
Also published as: EP0747583A1; EP0747583B1; US5769050A; JP3406119B2; JPH08326540A; DE69605977D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit Wirbelvorkammer, wobei jeder Zylinder des Motors eine Hauptverbrennungskammer innerhalb des Zylinders umfaßt und zu jedem Zylinder eine Vorkammer gehört, wobei die Vorkammer im Zylinderkopf des Motors ausgebildet und mit der jeweiligen Hauptverbrennungskammer über eine Anschlußöffnung verbunden ist.
Verbrennungsmotoren dieses Typs, bei denen ein Druckluftwirbel innerhalb der Vorkammer erzeugt wird, werden bei Viertakt-Dieselmotoren eingesetzt. Bei diesen Motoren nach dem Stand der Technik neigt sich die Anschlußöffnung schräg zur Achse des Zylinders und verläuft tangential von der Innenwandfläche der Vorkammer aus. Bei diesen Motoren nach dem Stand der Technik strömt die Luft von der Hauptverbrennungskammer über die Anschlußöffnung zur Vorkammer, wo eine Druckluftwirbelströmung erzeugt wird. Das Einspritzen von Kraftstoff in diesen Wirbel löst die Zündung und die Verbrennung aus. Verbrennungsmotoren des oben erwähnten Typs sind zum Beispiel aus DE-A 1-25 59 108, JP-A-4001429 oder UA-A-4 141 324 bekannt.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung stießen an die Grenzen herkömmlicher Viertakt-Dieselmotoren, als sie versuchten, die Leistung der oben beschriebenen Motoren ohne deren gleichzeitige Vergrößerung zu steigern. Denn es erwies sich als unmöglich, ein angemessenes Volumenverhältnis für die Vorkammern zu erzielen. Bei dem Volumenverhältnis handelt es sich um das Volumen der Vorkammer, zuzüglich des Volumens der Anschlußöffnung, in bezug auf das Gesamtvolumen der Vorkammer, der Anschlußöffnung und der Hauptverbrennungskammer, wenn sich der Kolben an seinem oberen Totpunkt befindet. Je größer dieses Volumenverhältnis ist, desto mehr Luft kann der Vor kammer während des Verdichtungstaktes zugeführt werden, was einen höheren Grad der Luftausnutzung und somit eine höhere Leistung ermöglicht.
Da die Vorkammern im Zylinderkopf ausgebildet sein müssen, der bei Viertakt- Dieselmotoren traditionell die Lufteinlaß- und Luftauslaßventile sowie die Ventilantriebsvorrichtung aufnimmt, lassen sich nur Volumenverhältnisse erzielen, bei denen das Volumen der Vorkammer nur rund 50% des Gesamtvolumens ausmacht. Dies heißt, es gibt ein niedriges Luftnutzungsverhältnis, denn selbst wenn sich der Kolben an seinem oberen Totpunkt befindet, verbleibt ungefähr die gleiche Luftmenge, die der Vorkammer zugeführt wird, in der Hauptverbrennungskammer und in der Anschlußöffnung.
Bei dem Versuch-, die Leistung des Motors gegenüber herkömmlichen Viertakt- Dieselmotoren mit Wirbelvorkammern zu verbessern, sind die Verringerung der Rauchkonzentration in den Abgasemissionen, die Verringerung des Brenngeräusches (Klopfgeräusche) sowie die Verringerung des NOx-Gehaltes in den Abgasen erforderlich.
Gemäß DE-A1-25 59 108 beläuft sich das Volumenverhältnis auf nicht mehr als 90%. Dieses Dokument offenbart weiterhin einen Bereich von 1 bis 10% für das Verhältnis der minimalen Querschnittsfläche einer Anschlußöffnung zur Querschnittsfläche einer Zylinderbohrung: Weiterhin ist in JP-A-04 001429 ein Volumenverhältnis bei einem Benzineinspritzmotor mit einer Vorkammer im Bereich von 30 bis 70% offenbart. Aus US-A-4 141 324 ist ein Volumenverhältnis zwischen 70 bis 85% bekannt.
Zudem offenbart JP-A-57 195819 eine Verbrennungskammer des Unterkammer-Dieselmotors, bei der die Querschnittsfläche zwischen 0,7 bis 1,6% liegt. In US-A-4 434 758 ist ein Querschnittsflächenverhältnis im Bereich von 0,7 bis 1,0% offenbart, während JP-A-59 165821 ein Querschnittsflächenverhältnis von 1,2% angibt.
Die vorliegende Erfindung ist entwickelt worden, um die vorstehend angeführten Probleme zu lösen, und zielt auf die Schaffung eines Verbrennungsmotors des im einleitenden Absatz definierten Typs ab, der eine höhere Leistung ohne eine Vergrößerung des Motors, eine geringere Konzentration des Auspuff rauchgases und ein geringeres Brenngeräusch aufweist, wobei der NOx-Gehalt im Abgas niedrig gehalten wird.
Demgemäß wird dieses technische Problem durch einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst.
Die Vorkammern werden faktisch im gesamten Zylinderkopf ausgebildet, wodurch das Volumen, das sich aus dem Volumen jeder Vorkammer und der Anschlußöffnung zusammensetzt, auf rund 65% bis 95% des Gesamtvolumens der Kammer gebracht werden kann, wenn sich der Kolben an seinem oberen Totpunkt befindet.
Wenn sich der Kolben an seinem oberen Totpunkt befindet, wird der Vorkammer mehr als die Hälfte der über die gesamte Verbrennungskammer verteilten Luft von der Hauptverbrennungskammer zugeführt, wodurch eine Erhöhung der Leistung von Verbrennungsmotoren mit Wirbelvorkammer möglich wird.
Die minimale Querschnittsfläche der Anschlußöffnung liegt zirka zwischen 1,3% und 2,2% der Querschnittsfläche der Zylinderbohrung des jeweiligen Zylinders. Damit bietet die Anschlußöffnung einen geringen Widerstand gegen den Luftstrom in die Vorkammer hinein oder gegen den Abgasstrom von der Vorkammer in die Hauptverbrennungskammer. Darüber hinaus ermöglicht sie die Erzeugung eines starken Wirbelflusses innerhalb der Vorkammer zur Verbesserung der Effizienz des Vermischens der Luft und des Kraftstoffes, und sie sorgt für eine problemlose Überleitung der Abgase in die Hauptverbrennungskammern.
Die minimale Querschnittsfläche wird auf der Grundlage des Volumenverhältnisses bestimmt, wobei sie mit einer Zunahme des Volumenverhältnisses größer wird, wie in Anspruch 1 angegeben, um dadurch die Motorleistung in Fig. 6 zu erhöhen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Innenwandfläche der Vorkammer einen durchgehenden abgestuften Rand oder Vorsprung auf, der im wesentlichen senkrecht zur Wirbelrichtung eines in der Vorkammer erzeugten Wirbels verläuft. Mittels dieser Abstufung oder dieses Vorsprungs wird die Verwirbelung in den Wirbelstrom innerhalb der Vorkammer eingeleitet, wodurch der Kraftstoff annähernd gleichmäßig in der gesamten Vorkammer verteilt wird.
Vorzugsweise umfaßt der Zylinderkopf einen unteren Kopf mit mindestens einem Abschnitt, der einen Teil der Vorkammer bildet, sowie einen oberen Zylinderkopf mit mindestens einem Abschnitt, der einen Teil derselben Vorkammer bildet. Dies vereinfacht die Ausbildung der Vorkammer und ermöglicht zudem verschiedenste Gestaltungsvarianten der Vorkammerwände und somit eine Optimierung der Luft- und Kraftstoffströmung in der Kammer.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung verläuft die Anschlußöffnung tangential von der Innenwandfläche einer Vorkammer zu einer Mittelfläche des Bodens des jeweiligen Kolbens am Anfang seines Arbeitstaktes. Die aus der Vorkammer in die Hauptverbrennungskammer strömenden Abgase ermöglichen es daher, daß die von den Abgasen auf den Kolben einwirkende Wärme zum Rand des Kolbens verteilt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind in jedem Zylinder Lufteinlaß- und Auslaßöffnungen vorhanden. Diese werden durch den Kolben geöffnet und geschlossen. Darüber hinaus senkt eine Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses die obere Randstellung der Auspufföffnung im unteren und mittleren Drehzahlbereich des Motors und hebt den oberen Rand der Auspufföffnung bei hoher Drehzahl des Motors. Somit wird während des Betriebs des Motors im niedrigen und mittleren Drehzahlbereich das Verdichtungsverhältnis erhöht und das Ausstoßen verzögert, während bei hoher Drehzahl das Verdichtungsverhältnis verringert und der Ausstoßvorgang vorgezogen wird. Außerdem ist die Querschnittsfläche der Auspufföffnung größer.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung können aus den nachgeordneten Ansprüchen abgeleitet werden.
Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Verweis auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
Fig. 1 eine vertikale Querschnittsansicht eines Motors mit Wirbelvorkammern nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist;
Fig. 2 eine Schnittdarstellung entlang der Linie II-II aus Fig. 1 ist;
Fig. 3 eine Schnittdarstellung entlang der Linie III-III aus Fig. 1 ist;
Fig. 4 ein Diagramm ist, welches als Orientierung zur Bestimmung der Drosselklappenöffnung genutzt werden kann;
Fig. 5 eine Schnittdarstellung ist, die eine Vergrößerung des Oberteils eines Zylinders zeigt;
Fig. 6 ein Diagramm ist, welches das Verhältnis zwischen dem Volumenverhältnis der Vorkammern und der Leistung zeigt;
Fig. 7 eine weitere Ausführungsform zeigt, bei der ein Stufenbereich auf der Innenwand der Vorkammer vorgesehen ist, wobei der Innendurchmesser der Zündkerze größer gestaltet ist als der Durchmesser der Öffnung für die konkave Fläche im oberen Zylinderkopf; wobei (a) eine Schnittdarstellung ist, und (b) eine Draufsicht ist, die den unteren Teil des Zylinderkopfes mit eingesetzter Zündkerze zeigt;
Fig. 8 eine weitere Ausführungsform zeigt, welche einen Stufenbereich auf der Innenwand der Vorkammer aufweist, wobei der Innendurchmesser der Zündkerze kleiner gestaltet ist als der Durchmesser der Öffnung für die konkave Fläche im oberen Zylinderkopf; wobei (a) die eine Schnittdarstellung ist, und (b) eine Draufsicht ist, die den unteren Teil des Zylinderkopfes mit eingesetzter Zündkerze zeigt;
Fig. 9 eine weitere Ausführungsform zeigt, welche einen Stufenbereich auf der Innenwand der Vorkammer aufweist, wobei eine Dichtung zwischen den aneinander anliegenden Flächen der heißen Zündkerze und der oberen Zylinderkopfanordnung und dem unteren Zylinderkopf eingefügt wird; wobei (a) eine Schnittdarstellung und (b) eine Draufsicht ist, welche die oben auf der Zündkerze aufliegende Dichtung zeigt;
Fig. 10 eine Schnittdarstellung des oberen Teils des Zylinderkopfes einer zusätzlichen Ausführungsform ist, wobei die Abgase am Anfang des Arbeitstaktes ungefähr auf die Mitte des Kolbenbodens auftreffen.
Anhand der Fig. 1 bis 6 wird nun eine erste Ausführungsform im Detail erläutert.
In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Motor mit Wirbelvorkammern im vertikalen Schnitt dargestellt. Fig. 2 ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie II-II der Fig. 1, Fig. 3 ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie III-III der Fig. 1.
Fig. 4 kann als eine Orientierungskarte zur Bestimmung der Drosselklappenöffnung benutzt werden. In Fig. 5 ist eine Vergrößerung des oberen Teils eines Zylinders im Schnitt dargestellt. Fig. 6 zeigt, wie das Volumenverhältnis der Vorkammern und die Leistung zueinander in Beziehung stehen.
Bei diesen Figuren stellt 1 einen wassergekühlten Zweizylinder-, Zweitakt- Dieselmotor dar (nachfolgend "Motor" genannt).
Dieser Motor 1 trägt eine Kurbelwelle 4 zwischen dem Zylinderblock 2 und dem Kurbelgehäuse 3 (unter diesem); zudem ist ein Zylinderkopf 5 oben am Zylinderblock 2 angebracht. Die Drehung der Kurbelwelle 4 in diesem Motor 1 ist nach rechts eingestellt, wie in Fig. 1 gezeigt wird.
Ein Auspuffrohr 6 ist mit einer Seite des Zylinderblocks 2 verbunden, und ein Lufteinlaßkrümmer 7 ist mit dem Boden der anderen Seite verbunden. In dem Auspuffrohr 6 laufen die Auslaßkanäle von jedem Zylinder zusammen. Der Lufteinlaßkrümmer 7 hat innere Lufteinlaßkanäle, die zu jedem Zylinder abzweigen. Der Abzweigung sind eine Drosselklappenvorrichtung 8 sowie ein Lufteinlaßrohr und ein Luftreiniger vorgelagert, die in den Figuren nicht gezeigt werden.
Die Drosselklappenvorrichtung 8 umfaßt eine Flügel-Drosselklappe 8a, die vom Motor 8b angetrieben wird. In Fig. 1 kreuzt die Koaxiallinie der Achsen der Drosselklappe 8a und des Motors 8b die Achse der Kurbelwelle 4, sie könnte jedoch auch eine zur Kurbelwelle parallele Axiallinie haben.
Der Motor 8b wird durch die ECU 9 gesteuert, welche ebenfalls die Menge des eingespritzten Kraftstoffes und die Ölversorgung für den Motor 1 steuert. Das heißt, die in Fig. 4 gezeigte Karte basiert auf der durch einen Drehzahlerfassungssensor des Motors (nicht abgebildet) festgestellten Motordrehzahl und auf der Gaspedalöffnung (der Grad, bis zu dem der Gashebel bewegt worden ist; nicht abgebildet), festgestellt durch einen Erfassungssensor für die Gashebelöffnung (nicht gezeigt), woraufhin der Motor 8b angetrieben wird, bis die Öffnung der Drosselklappe 8a mit der von der Karte abgelesenen Öffnung in Übereinstimmung gebracht wird. Bei der Feststellung des Umfangs der Steuerung des Motors 8b wäre es ebenfalls möglich, die Motorlast zu nutzen, die durch die Motordrehzahl und die Kraftstoffeinspritzmenge, usw. dargestellt wird.
Man könnte auch ein Signal nutzen, das alle Parameter umfaßt: Motordrehzahl, Gashebelöffnung, Kraftstoffeinspritzmenge, usw.
Die Karte aus Fig. 4 zeigt die Lufteinlaßsteuerung durch die Drosselklappe 8a, wenn der Motor 1 zwischen Leerlauf und niedrigem bis mittlerem Drehzahlbereich arbeitet. Wenn der Drehzahlbereich des Motors konstant ist und der Gashebel für eine größere (oder geringere) Beschleunigung betätigt wird, wird die Öffnung der Drosselklappe 8a zudem entsprechend vergrößert (oder verringert). Wenn die Gashebelposition konstant ist und sich der Drehzahlbereich des Motors erhöht (oder verringert), vergrößert (oder verringert) sich die Ö
Somit ist die von der Drosselklappe auferlegte Verengung nicht, wie dies generell bei den Lufteinlaßsystemen herkömmlicher Dieselmotoren der Fall ist, mit der Bewegung des Gashebels verbunden, sie weist vielmehr eine Struktur auf, die die gesamte angesaugte Luft zum Motor leitet. Demzufolge ist bei dem Motor 1 dieser Ausführungsform im Leerlauf oder im niedrigen bis mittleren Drehzahlbereich der Lufteintritt so ausgelegt, daß er mit dem Betriebszustand des Motors im Einklang steht.
Mit Hilfe der Lufteinlaßsteuerung wird die Menge des im Inneren des Zylinders verbleibenden Abgases erhöht, wodurch die Verbrennung verzögert wird (das Verbrennungsintervall wird verlängert), was nicht nur die Klopfgeräusche, sondern auch die NOx-Emissionen verringert, die sich aus niedrigen Verbrennungstemperaturen ergeben.
Die Kraftstoffeinspritzpumpe 10 befindet sich sehr dicht neben der Drosselvorrichtung 8 und wird durch den Motor 1 angetrieben, um Kraftstoff zu den Kraftstoffeinspritzventilen 11 für jeden Zylinder zu befördern. Die Menge des von dieser Kraftstoffeinspritzpumpe 10 gelieferten Kraftstoffes wird von der ECU 9 gesteuert. Weiterhin ist die Kraftstoffeinspritzpumpe wie in Fig. 2 an der Riemenabdeckung 12 befestigt, die sich an einem Ende des Motors 1 in Richtung der Kurbelwelle befindet. Die Antriebsvorrichtung für diese Kraftstoffeinspritzpumpe 10 besteht aus einer Antriebsriemenscheibe (nicht abgebildet) innerhalb der Riemenabdeckung 12 und einem Kraftstoffeinspritzpumpen-Riemen 12a für den Antrieb dieser Riemenscheibe durch Übertragung des Antriebs der kurbelwellenseitigen Riemenscheibe 12b.
Auf der Seite des Zylinderblocks 2 gegenüber der Riemenabdeckung 12 befindet sich der Hilfsriemen 13, der die Umdrehung der Kurbelwelle 4 für den Antrieb der Motorhilfseinrichtungen überträgt. Wie in Fig. 2 gezeigt, läuft der Hilfsriemen 13 um die am Ende der Kurbelwelle 4 befestigte Kurbelwellen- Riemenscheibe 14, um die Verdichter-Riemenscheibe für die Klimaanlage (nicht gezeigt), die Wechselstromgenerator-Riemenscheibe, die Wasserpumpen-Riemenscheibe, die Riemenscheibe der Servolenkungspumpe und die Leerlaufriemenscheibe.
Als nächstes wird der Innenaufbau des Motors 1 beschrieben. Wie in Fig. 2 ist die Kurbelwelle 4 des Motors 1 drehbar auf Kugellagern 15 und Rollenlagern 16 gelagert, die zwischen dem Zylinderblock 2 und dem Kurbelgehäuse 3 eingefügt sind. Die großen Enden von Pleuelstangen 8 sind über Nadellager 17 mit einem Kurbelzapfen 4a für jeden Zylinder verbunden. Mit dem der Kurbelwellen-Riemenscheibe 14 gegenüberliegenden Ende der Kurbelwelle 4 ist ein Schwungrad 4c verbunden, welches ein Tellerrad 4b aufweist, das mit dem Anlasser ineinandergreift.
Die kleinen Enden der Pleuelstangen 8 sind über die Nadellager 19 und die Kolbenbolzen 18 mit den Kolben 20 in jedem Zylinder verbunden. Diese Kolben 20 sind verschiebbar in die Zylinderbohrungen 2a des Zylinderblocks 2 eingesetzt. 20a stellt Kolbenringe dar.
Der Zylinderblock 2 hat plattierte Zylinder ohne Dichtungsmanschette, und die Anordnung der Kurbelwelle 4 und des Kurbelgehäuses 3 schafft Kurbelkammern 21 für jeden Zylinder. Für die Luftzufuhr sind Lufteinlaßöffnungen 22 im Boden dieser Kurbelkammern 21 ausgebildet. Mit diesen Lufteinlaßöffnungen ist der Lufteinlaßkrümmer 7 verbunden. Die Lufteinlaßkanäle innerhalb der Lufteinlaßöffnungen enthalten eine herkömmliche Klappenventilvorrichtung 23. Weiterhin sind im Zylinderblock 2 Ölöffnungen 2b ausgebildet, die Öl zur Gleitoberfläche der Kolben 20 auf der Lufteinlaßseite der Zylinderbohrungen 2a leiten. Auf der Seite der Zylinderbohrungen 2a, die diesen Ölöffnungen 3b gegenüberliegt, sind Ölöffnungen 2c ausgebildet, die Öl zu den Auflagerbereichen für die Kurbelwelle 4 liefern (siehe Fig. 2). Das Öl wird diesen Ölöffnungen 2b, 2c durch eine Ölpumpe zugeführt, die in den Figuren nicht abgebildet ist.
Am nachgelagerten Ende der Ölöffnungen 2c im Zylinderblock 2 befinden sich Öffnungen für die oberen Wandflächen der Lager. Desweiteren sind Ölöffnungen 4d in der Kurbelwelle 4 ausgebildet, welche das Öl, das unter Druck den Rollenlagern 16 zugeführt wurde, weiter zu den Nadellagern 17 führen, die die Pleuelstange mittels Zentrifugalkraft tragen. Wenn das Öl durch die Ölöffnungen 2b, 2c gelangt, sammelt sich das überschüssige Öl im unteren Teil des Kurbelgehäuses 3, kehrt jedoch aufgrund des Druckgefälles zwischen der Kurbelkammer 21 und dem Inneren des Lufteinlaßkrümmers 7 wieder in den Lufteinlaßkrümmer 7 zurück. Das heißt, es gibt wie in Fig. 1 Ölablaßöffnungen 3a im unteren Teil des Kurbelgehäuses 3, die mittels der Ölrückleitungsschläuche 3b mit dem Inneren des Lufteinlaßkrümmers 7 verbunden sind.
Darüber hinaus sind im Zylinderblock 2 Spülkanäle 24, die die Kurbelkammern 21 mit dem Inneren der Zylinderbohrungen 2a verbinden, sowie Auslaßkanäle 25 ausgebildet. Wie in Fig. 3 sind die Spülkanäle 24 an drei Stellen rund um jede Zylinderbohrung 2a ausgebildet und über entsprechende Spülöffnungen 24a mit dem Inneren der Zylinderbohrung 2a verbunden. Weiterhin ist eine Hauptauslaßöffnung 25a vorhanden, die etwas höher liegt als der obere Rand der Spülöffnungen 24a, und ein Paar Hilfsauslaßöffnungen 25b mit Öffnungen, die höher liegen als die Hauptauslaßöffnung 25a. Ihre vorgelagerten Enden sind mit der Zylinderbohrung 2a verbunden, während ihre nachgelagerten Enden mit dem Auslaßkanal innerhalb des Auspuffrohrs 6 verbunden sind.
Im Bereich des Auslaßkanals 25, in dem die Hilfsauslaßöffnungen 25 in die Zylinderbohrung 2a übergehen, ist eine Ausstoßsteuervorrichtung 26 installiert. Diese kann den Ausstoßzeitpunkt und das Verdichtungsverhältnis verändern und besteht aus einem drehbar eingesetzten, stabförmigen Ventilkörper 26a, der über die Auslaßkanalbereiche der Hilfsäuslaßöffnungen 25b im Zylinderblock 2 verläuft, sowie aus einer Antriebsvorrichtung 26b, die diese Ventilkörper 26a drehen kann. Es sind Ventilbereiche mit bogenförmigem Querschnitt vorhanden, die auf der Stange für jeden Zylinder ausgebildet sind, sowie zahnähnliche Eingriffsbereiche, die auf dem Stangenpaar ausgebildet sind, um ihre Be wegung miteinander zu verbinden. In Axialrichtung sind sie an einem Ende mit der Antriebsvorrichtung 26b verbunden. Die Antriebsvorrichtung 26b weist eine Antriebswelle auf (nicht abgebildet), die mit einem Ende der Welle des Ventilkörpers 26a verbunden ist, und diese Antriebswelle ist wiederum mittels eines Zahnradgetriebes mit einem Antriebsmotor (nicht abgebildet) verbunden. Dieser Antriebsmotor wird durch die ECU 9 gesteuert, um die Ventilkörper 26a zu schließen, wenn der Motor im Leerlauf läuft oder die Drehzahl des Motors im niedrigen bis mittleren Drehzahlbereich liegt, wodurch die Hilfsauslaßkanäle geschlossen werden, und um die Ventilkörper 26a zu öffnen, wenn der Motor wie in Fig. 1 den hohen Drehzahlbereich erreicht, so daß die Abgase auch durch die Hilfsauslaßkanäle ausgestoßen werden.
Wenn sich die Ventilkörper 26a in der geschlossenen Stellung befinden, wird der Beginn der Verdichtung vorverlegt, und der Beginn des Ausstoßes im Vergleich zu ihrer offenen Stellung verzögert. Darüber hinaus ist das Verdichtungsverhältnis höher. Aufgrund des höheren Verdichtungsverhältnisses, das durch das Schließen der Ventilkörper 26a herbeigeführt wird, ist der Motor 1 leichter zu starten und läuft im niedrigen und mittleren Drehzahlbereich gleichmäßiger. Wenn sich die Ventilkörper 26a in der offenen Stellung befinden, wird der Pumpverlust in den hohen Drehzahlbereichen verringert, und die Querschnittsfläche des Auslaßkanals wird vergrößert. Dadurch verringert sich der Ausstoßwiderstand, und es kann eine höhere Leistung erzielt werden.
Wie in Fig. 1 besteht der Zylinderkopf 5, der die obere Wand der Hauptverbrennungskammern innerhalb der Zylinderbohrungen umfaßt, aus einem unteren Zylinderkopf 5a am oberen Ende des Zylinderblocks 2; aus Zündkerzen 5b, die ungefähr wie ein Zylinder mit einem Unterteil geformt sind, und die in den unteren Teil des Zylinderkopfes 5b eingesetzt werden; und aus einem oberen Zylinderkopf 5c, der über dem unteren Teil des Zylinderkopfes 5a und den Zündkerzen 5b angebracht ist. Die oberen und unteren Zylinderköpfe 5a und 5c sind aus Aluminiumlegierung gefertigt und die Zündkerzen 5b aus rostfreiem Stahl.
Im unteren Zylinderkopf 5a auf der Auslaßöffnungsseite (Hauptauslaßöffnung 25a und Hilfsauslaßöffnungen 25b) sind Halteöffnungen mit einem Bereich mit kleinem Durchmesser und einem Bereich mit großem Durchmesser in bezug auf die Zylinderachsen ausgebildet, in welche die Zündkerzen 5b von oben eingesetzt und gehalten werden. In den unteren Teil jeder Zündkerze 5b wird eine Anschlußöffnung 28 gebohrt, die ungefähr wie ein Zylinder mit einem unteren Teil geformt sind. Die Achse dieser Anschlußöffnungen 26 verläuft nach unten, und entfernt sich allmählich von der Auslaßöffnungsseite nach unten. In Fig. 3 sind diese Anschlußöffnungen durch eine Strichpunktlinie A angegeben.
Im oberen Zylinderkopf gegenüber den zylindrischen Bereichen der Zündkerzen 5b sind annähernd halbkugelförmige, konkave Bereiche ausgebildet. Die Kraftstoffeinspritzventile 11 spritzen Kraftstoff in diese konkaven Bereiche. Eine Glühkerze 29 grenzt ebenfalls an das Innere jedes konkaven Bereiches an.
Anschließend werden der untere Zylinderkopf 5a und die Zündkerzen 5b zusammengefügt, wobei die Zündkerzen 5b in die Halteöffnungen im unteren Zylinderkopf eingesetzt werden. Danach wird diese Anordnung zusammen mit dem oberen Zylinderkopf 5c am oberen Teil des Zylinderblocks 2 befestigt. Durch das Befestigen des Zylinderkopfes 5 am Zylinderblock 2 entstehen die Hauptverbrennungskammern 27 innerhalb der Zylinderbohrungen 2a und Vorkammern 30 mit flachem Boden im Zylinderkopf 5, welche die zylindrische Fläche der Zündkerzen 5b und den Bereich innerhalb der Wandfläche der konkaven Bereiche des Zylinderkopfes 5c an der Auslaßöffnungsseite in bezug auf die Zylinderachse umfassen. Wenn die Vorkammern 30 annähernd kugelförmig wären, dann würden die Anschlußöffnungen tangential von diesen ausgehen.
Nunmehr werden das Volumen der Vorkammern 30 und der Anschlußöffnungen sowie die minimale Querschnittsfläche der Anschlußöffnungen erörtert. Das Volumen, das sich aus dem Volumen einer Anschlußöffnung 28 und dem Volumen einer Vorkammer 30 ergibt, wird auf zirka 65 bis 95% des Gesamtvolumens einer Hauptverbrennungskammer 27, der Vorkammer 30 und der Anschlußöffnung 28 eingestellt, wenn sich der Kolben 20 an seinem oberen Totpunkt befindet. Dieser Prozentsatz wird nachstehend als Volumenverhältnis bezeichnet. Auf diese Weise ist das Volumenverhältnis der Vorkammern, welches zirka 65 bis 95% beträgt, größer als bei Motoren nach dem Stand der Technik. Dieser Vorteil wird ermöglicht, indem die Lufteinlaß- und Luftauslaß ventile bzw. die dynamische Ventilvorrichtung für deren Antrieb nicht im Zylinderkopf 5 montiert werden.
Weiterhin ist die minimale Querschnittsfläche der Anschlußöffnungen 28 mit zirka 1,3 bis 2,2% der Querschnittsfläche der Zylinderbohrung 2a festgesetzt worden. Dieser Prozentsatz wird nachstehend als Anschlußöffnungsflächenverhältnis bezeichnet. In Fig. 5 ist die Querschnittsfläche der Anschlußöffnung 28 für vorliegende Ausführungsform mit Ziffer S1 gekennzeichnet, während die Querschnittsfläche für die Zylinderbohrung 3 in Fig. 5 mit der Ziffer S2 gekennzeichnet ist. Wenn eine Verengung oder dergleichen in der Anschlußöffnung 28 ausgebildet ist, würde diese verengte Fläche die minimale Querschnittsfläche darstellen. Weiterhin kennzeichnet die gestrichelte Linie in Fig. 5 die Zylinderachse.
Das Volumenverhältnis und das Anschlußöffnungsflächenverhältnis wurden durch die Erfinder experimentell entdeckt. In Fig. 6 sind die Ergebnisse der Experimente dargestellt. Darin ist die maximale Leistung in bezug auf das Volumenverhältnis dargestellt, wenn das Anschlußöffnungsflächenverhältnis verändert wird. Wenn die maximale Leistung für ein Volumenverhältnis von 60% und ein Anschlußöffnungsflächenverhältnis von 1,2%, was in etwa den typischen Bedingungen bei Viertakt-Dieselmotoren nach dem Stand der Technik entspricht (Volumenverhältnis 50%, Anschlußöffnungsflächenverhältnis 1%), auf 1 normiert wird, zeigt die Figur das maximale Leistungsverhältnis als ein Vielfaches dieses Standard-Leistungswertes.
Wie aus den Ergebnissen dieses Experiments eindeutig hervorgeht, wird bei einem Anschlußöffnungsflächenverhältnis von 1,3% die maximale Leistung mit einem Volumenverhältnis von 65% erzielt, wobei zu diesem Zeitpunkt das maximale Leistungsverhältnis zirka 1,02 beträgt bzw. zirka 2% höher ist als unter Standardbedingungen. Ebenso wird die maximale Leistung jeweils bei einem Volumenverhältnis von zirka 74% erzielt, wenn das Anschlußöffnungsflächenverhältnis 1,5% ist; bei einem Volumenverhältnis von zirka 81%, wenn das Anschlußöffnungsflächenverhältnis 1,8% beträgt; bei einem Volumenverhältnis von zirka 90%, wenn das Anschlußöffnungsflächenverhältnis 2,0% beträgt, und bei einem Volumenverhältnis von zirka 97%, wenn das Anschlußöffnungsflächenverhältnis 2,2% beträgt.
Unter den genannten Bedingungen ist die maximale Leistung höher als die Leistung unter den Standardbedingungen. Wird zum Erreichen einer maximalen Leistung außerdem eine Kombination des Volumenverhältnisses und des Anschlußöffnungsflächenverhältnisses genutzt, dann steigt die erzielte Leistung mit zunehmendem Anschlußöffnungsflächenverhältnis. Wenn das Anschlußöffnungsflächenverhältnis auf andere Werte als oben beschrieben festgesetzt wird, würde die maximale Leistung durch die gestrichelte Linie in Fig. 6 angegeben werden.
Der Zweitakt-Dieselmotor 1 mit dem oben beschriebenen Aufbau wird durch einen Anlaßmotor (nicht gezeigt) angelassen, der die Kurbelwelle 4 dreht. Wenn die Kurbelwelle 4 gedreht wird, passiert die Luft das Lufteinlaßsystem wie folgt: vom Luftreiniger → Lufteinlaßrohr → Drosselklappenvorrichtung 8 → Lufteinlaßkrümmer 7 → Klappenventilvorrichtung 23 zum Eintritt in die Kurbelkammer 21, wo sie verdichtet und über die Spülkanäle 24 und die Spülöffnungen 24a in die Hauptverbrennungskammern 27 eingeführt wird.
Während eines Verdichtungstaktes gelangt die Luft innerhalb einer Hauptverbrennungskammer 27 durch eine Anschlußöffnung 28 in die Vorkammer 30, wodurch innerhalb der Vorkammer 30 ein Druckluftwirbel entsteht. Die Einspritzung von Kraftstoff aus einem Kraftstoffeinspritzventil 11 in diesen Wirbelstrom veranlaßt die Zündung und die Verbrennung. Anschließend gelangen die Abgase durch die Anschlußöffnung 28 in die Hauptverbrennungskammer 27 und werden dabei von der Auslaßöffnungsseite zur gegenüberliegenden Seite der Zylinderachse C geführt, woraufhin sich der Kolben 20 infolge der Druckerhöhung innerhalb der Hauptverbrennungskammer 27 senkt.
Während des Arbeitstaktes führt die Bewegung des Kolbens unterhalb des oberen Randes der Hauptauslaßöffnung 25a und der Hilfauslaßöffnungen 25b dazu, daß die Abgase aus der Hauptverbrennungskammer über den Auslaßkanal aus dem Auspuffrohr 6 ausgestoßen werden.
Da das Volumen des Motors 1 aus dem Volumen einer Vorkammer, plus dem Volumen einer Anschlußöffnung besteht und zirka 65 bis 95% des Gesamtver brennungskammervolumens ausmacht, wenn sich der Kolben wie in Fig. 5 an seinem oberen Totpunkt befindet, wird mehr als die Hälfte der für die Verbrennung genutzten Luft in die Vorkammer geleitet, um einen Wirbel zu erzeugen. Wenn Kraftstoff in diese Vorkammer eingespritzt wird, ist die Luftnutzungrate dementsprechend höher, als dies beim Stand der Technik möglich war.
Da die minimale Querschnittsfläche der Anschlußöffnung zwischen jeder Hauptverbrennungskammer und Vorkammer auf zirka 1,3 bis 2,2% der Querschnittsfläche der Zylinderbohrung 2a festgelegt ist, ist der Widerstand gegenüber dem Luftstrom in die Vorkammern 30 und dem Ausströmen der Abgase aus der Vorkammer nur gering. Diese Ausführung gestattet nicht nur die Erzeugung eines starken Wirbels innerhalb der Vorkammern und eine effiziente Mischung mit dem Kraftstoff, sondern sie ermöglicht auch das reibungslose Strömen der Abgase in die Hauptverbrennungskammern 27.
Bei der vorliegenden Ausführungsform werden plattierte Zylinder ohne Dichtmanschette im Zylinderblock 2 verwendet, was für eine gute Wärmeübertragung sorgt und es gestattet, daß die Zylinderbohrungen ziemlich unbeeinträchtigt von der Hitze der Abgase bleiben. Demzufolge ist es möglich, die Achse der Anschlußöffnungen 28 in eine andere Richtung als bei der vorliegenden Ausführungsform zu lenken.
Das heißt, bei dieser Ausführungsform ist die Achse A jeder Anschlußöffnung 28 wie in Fig. 3 zur Zylinderachse C in Richtung der Seite des Zylinders gegenüber den Auslaßöffnungen 25a, 25b geneigt. Diese Ausführung wurde gewählt, um eine Schwankung bei der Wärmeverteilung zu vermeiden. Da die Auslaßöffnungen 25a, 25b die heiße Seite des Zylinderblocks bilden, werden die Abgase zur gegenüberliegenden Seite des Zylinders zur Zylinderachse hin geführt. Es wäre jedoch auch möglich, die Achsenlinie A zur gegenüberliegenden Seite des Zylinders so zur Zylinderachse C zu führen, daß die Achse senkrecht zur axialen Richtung des Kolbenbolzens 18a verläuft.
Wenn bei der Konfiguration mit senkrecht zu den Kolbenbolzen verlaufender Achse A der Anschlußöffnungen der Kolben 20 an seinem oberen Totpunkt ist, ist es unwahrscheinlich, daß die Abgase in den Bereich des Kolbenrings auf der Auslaßöffnungsseite eindringen, und der Kolben 20 unterliegt in geringerem Maße einer Wärmedeformierung. Der Grund dafür, warum Abgase in den Bereich der Kolbenringe der Auslaßöffnungsseite eindringen können, liegt in der Schüttelbewegung des Kolbens 20, wenn dieser seinen oberen Totpunkt erreicht. Die Schüttelbewegung entsteht wie folgt:
Wenn sich die Kurbelwelle 4 wie in Fig. 5 nach rechts dreht, wird während des Verdichtungstaktes befindet sich der Kurbelbolzen 4a wie in der Figur auf der linken Seite der Zylinderachse, wodurch ein Seitendruck in Richtung auf die Seite der Auslaßöffnungen 25a, 25b ausgeübt wird. Andererseits befindet sich der Kurbelbolzen 4a während des Arbeitstaktes auf der gegenüberliegenden Seite zur Zylinderachse, und der Seitendruck wird im Vergleich zum Verdichtungstakt in die entgegengesetzte Richtung ausgeübt, wodurch der Kolben 20 zu der Seite geschoben wird, die den Auslaßöffnungen gegenüberliegt. Wenn der Kolben 20 am oberen Totpunkt angelangt ist und sich die Druckrichtung wie oben beschrieben ändert, da der Bereich vom Kolbenbolzen zum Kolbenboden schwerer als der Kolbenboden ist, wird die Bewegung des Kolbenbodens verzögert, und der Kolbenboden wird zunächst zu der Seite bewegt, die den Auslaßöffnungen gegenüberliegt. Dieses Phänomen läßt den Kolben in einer Schüttelbewegung um den Kolbenbolzen 18a am oberen Totpunkt rotieren.
Das heißt, wenn der Kolben 20 des Motors 1 in der vorliegenden Ausführungsform dieser Schüttelbewegung ausgesetzt ist, neigt sich die Kolbenbodenfläche und liegt tiefer auf der Auslaßöffnungsseite, was dazu führt, daß der Kolbenboden in engen Kontakt mit der Innenwandfläche 2a auf der Auslaßöffnungsseite gelangt. Bei einer Ausführung, bei welcher die Achse A der Anschlußöffnung senkrecht zum Kolbenbolzen 18a verläuft, kann bei Ausführung der Schüttelbewegung des Kolbens 20 das Eindringen eines Teils der Abgase, die aus der Anschlußöffnung in den Bereich der Kolbenringe auf der Auslaßöffnungsseite gesprüht werden, wirksam verhindert werden.
Wie bereits erwähnt, ist daß der Kolben 20 weniger anfällig für eine Wärmedeformierung, wenn die Achse A der Anschlußöffnung 28 senkrecht zum Kolbenbolzen 18a verläuft. Denn die Abgase, die aus der Anschlußöffnung gesprüht werden, treffen in axialer Richtung des Kolbenbolzens 18a ungefähr in der Mitte auf die Kolbenbodenfläche- auf. Das heißt, die Wärme aus den Abgasen wird annähernd gleichmäßig auf die zwei runden Vorsprünge des Kolbens 20 übertragen, die den Kolbenbolzen 18 halten.
Eine weitere Ausführungsform des Verbrennungsmotors mit Wirbelvorkammern wird nachstehend anhand der Fig. 7 bis 9 beschrieben.
Bei der Ausführungsform in Fig. 7 ist der Innendurchmesser der Zündkerze größer als der Durchmesser der konkaven Fläche im Zylinderkopf, was zu einer inneren Stufe auf der Innenwandfläche der Vorkammer führt. Fig. 7 (a) ist eine Schnittdarstellung und 7 (b) eine Draufsicht des unteren Zylinderkopfes, die die eingesetzte Zündkerze zeigt.
Bei der Ausführungsform aus Fig. 8 ist der Durchmesser der konkaven Fläche im oberen Zylinderkopf größer als der Innendurchmesser der Zündkerze. Fig. 8 (a) ist eine Schnittdarstellung und Fig. 8 (b) eine Draufsicht der Zündkerze. Bei der in Fig. 9 gezeigten Ausführungsform befindet sich eine Dichtung zwischen den angrenzenden Flächen der Zündkerze und des oberen Zylinderkopfes und dem unteren Zylinderkopf, die eine Stufe auf der Innenwandfläche der Vorkammer bildet. Fig. 9 (a) ist eine Schnittdarstellung und Fig. 9 (b) eine Draufsicht der Zündkerze. In diesen Figuren haben die Teile, die mit den in den Fig. 1 bis 6 beschriebenen Teilen identisch oder diesen ähnlich sind, dieselben Bezugsziffern, so daß deren weitere Erläuterung weggelassen wird.
Die Zündkerze 5b aus Fig. 7 hat einen inneren Zylinderflächendurchmesser, der größer ist als der Öffnungsdurchmesser der konkaven Fläche 41 des oberen Zylinderkopfes 5c. Durch diesen Aufbau entsteht eine durchgehende Stufe 42 um den Umfang der Wandfläche der Vorkammer herum. Diese Stufe 42 verläuft ungefähr senkrecht zur Wirbelrichtung R des Wirbels. Die Abmessung d dieser Stufe 43 wird auf ungefähr 1 bis 10% des Maximaldurchmessers D der Vorkammer eingestellt. In Fig. 7 (a) sind die Öffnungen 43, 45 in die Vorkammer Einführöffnungen für die Kraftstoffeinspritzdüse und die Glühkerze. Bei dem oberen Zylinderkopf 5c aus Fig. 8 ist der Öffnungsdurchmesser der konkaven Fläche 41 größer als der Innendurchmesser der Zündkerze 5b. Dadurch entsteht eine Stufe 43 um die Innenwand der Vorkammer 30.
In Fig. 9 ist eine Dichtung 45 zwischen den angrenzenden Flächen der Zündkerze 5b und des unteren Zylinderkopfes (nicht abgebildet) und dem oberen Zylinderkopf 5c eingesetzt worden, um den Stufenbereich 42 um die Innenwand der Vorkammer 30 herum zu bilden. Das heißt, in der Dichtung 45 ist eine Öffnung 45 an einer Stelle ausgebildet, die der Vorkammer entspricht, jedoch mit einem Durchmesser, der geringfügig kleiner als der Innendurchmesser der Vorkammer ist, und der Rand dieser Öffnung wird als Stufe 42 genutzt.
Durch die Ausbildung einer Stufenfläche 42 wie in Fig. 7 bis 9 ist es somit möglich, eine Verwirbelung im Wirbelstrom innerhalb der Vorkammer zu erzeugen, wodurch der Kraftstoff annähernd gleichmäßig im gesamten Inneren der Vorkammer verteilt werden kann. Dadurch kann kurz nach der Kraftstoffeinspritzung schnell die Verbrennung beginnen und das Verbrennungsintervall so verlängert werden, daß der Kraftstoff fast vollständig verbrannt und die Leistung des Motors verbessert wird.
Weiterhin läßt sich die Anschlußöffnung 28 wie in Fig. 10 vergrößern.
Fig. 10 ist eine Schnittdarstellung, die den Zylinderdeckel für eine Ausführungsform zeigt, bei der die Abgase zu Beginn seines Arbeitstaktes in etwa zur Mitte des Kolbenbodens gelenkt werden. Die Teile in der Figur, die mit den in den Fig. 1-9 beschriebenen Figuren identisch oder diesen ähnlich sind, tragen dieselben Bezugsziffern, so daß auf deren weitere Erläuterung verzichtet wird.
Die Vorkammer 30 und die Anschlußöffnung 28, die in Fig. 10 gezeigt werden, sind in bezug auf die Zylinderachse weiter zur Auslaßöffnungsseite hin verlagert worden als die Vorkammer aus den Fig. 1 bis 5. Weiterhin hat die Anschlußöffnung eine Achse 28a, die in etwa zur Mitte des Bodens 46 des Kolbens 20 gerichtet ist, wenn dieser seinen Arbeitstakt beginnt.
Bei dieser Konfiguration treffen die Abgase, die von der Vorkammer 30 aus in die Hauptverbrennungskammer 27 eintreten, zu Beginn des Arbeitstaktes in etwa auf die Mitte des Kolbenbodens 46 auf, was die Verteilung der durch die Abgase auf den Kolben einwirkenden Wärme in Richtung des Kolbenrandes 20 erleichtert.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen werden dreiteilige Zylinderköpfe 5, bestehend aus dem unteren Zylinderkopf 5a, den Zündkerzen 5 und dem oberen Zylinderkopf 5c, zur Ausbildung der Vorkammern verwendet, doch auch ein ein- oder zweiteiliger Zylinderkopf könnte zum Einsatz kommen.
Bei Verwendung eines einteiligen Zylinderkopfes mit Vorkammern könnte der Zylinderkopf 5 zum Beispiel mittels Wachsausschmelzverfahren ausgebildet werden oder im Falle eines zweiteiligen Zylinderkopfes könnten die Zündkerzen 5 aus einem Stück mit dem unteren Zylinderkopf bestehen.
Weiterhin wurde in den Beispielen ein Zweitaktmotor verwendet, diese Erfindungen könnten jedoch auch auf Viertaktmotoren angewendet werden, wenn die Einlaß- und Auslaßöffnungen in die Zylinderbohrung mündeten.
Wie oben beschrieben, sind die Lufteinlaß- und die Auslaßöffnungen im Zylinderblock so ausgebildet, daß die Vorkammern praktisch im gesamten Zylinderkopf ausgebildet werden können. Da das Volumen, das aus der Vorkammer und ihrer Anschlußöffnung besteht, ungefähr 65 bis 95% des Gesamtvolumens der Kammern einnimmt, wenn der Kolben an seinem oberen Totpunkt ist, wird der größte Teil der Ansaugluft aus der Hauptverbrennungskammer in die Vorkammer geleitet.
Im Vergleich zum Stand der Technik führt dies zu einer effektiveren Luftausnutzung bei der Kraftstoffverbrennung in den Vorkammern und zu einer höheren Motorleistung, ohne daß selbiger größer wird.
Darüber hinaus wird die minimale Querschnittsfläche der Anschlußöffnungen in etwa zwischen 1,3 bis 2,2% der Querschnittsfläche der Zylinderbohrung eingestellt. Dadurch wird verhindert, daß die Anschlußöffnungen dem Luftstrom aus den Hauptverbrennungskammern in die Vorkammern und dem Abgasstrom aus den Vorkammern in die Hauptverbrennungskammern einen zu großen Widerstand entgegensetzen, und die Erzeugung eines starken Wirbelstroms innerhalb der Vorkammern ermöglicht es, die Effizienz des Luft-Kraftstoffgemisches zu erhöhen und das Strömen der Abgase in die Hauptverbrennungskammern zu erleichtern.
Somit ist es möglich, die Leistung durch kombinierte Effekte der höheren Luftausnutzung und der Verbesserung des Verbrennungs-Wirkungsgrades weiter zu erhöhen.
Da eine Stufenfläche an der Innenwand der Vorkammern geschaffen worden ist, die annähernd senkrecht zur Wirbelrichtung in ihrem Inneren verläuft, wird eine Verwirbelung im Wirbelstrom erzeugt, die dazu dient, den Kraftstoff ungefähr gleichmäßig über die gesamte Vorkammer zu verteilen.
Diese Ausführung führt zu einer Verbrennung, die frühzeitiger nach der Einspritzung des Kraftstoffes beginnt und über ein längeres Intervall aufrechterhalten wird, wodurch der Kraftstoff in den Vorkammern adäquat verbrannt wird und das Einströmen nicht verbrannter Gase in die Hauptverbrennungskammern gehemmt wird. Das heißt, die ausgestoßenen Auspuffwolken sind geringer, da weder eine unvollständige Verbrennung, noch die Erzeugung von Kohlenstoff wahrscheinlich ist. Die angemessene Verbrennung trägt auch zur Verbesserung der Motorleistung bei. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß diese Ausführung eine Ablagerung von Kohlenstoff oder Teer, die aufgrund einer unvollständigen Verbrennung entstehen, in den Umfangs-Kolbenringnuten auf dem Kolben oder im Dichtungsbereich zwischen dem Zylinderkörper und dem Zylinderkopf verhindert.
Da eine schnelle Verbrennung unterbunden worden ist, steigt zudem der Druck langsamer, so daß die Verbrennungsgeräusche geringer sind. Darüber hinaus wird eine relativ niedrigere Verbrennungstemperatur möglich, die den Nox-Gehalt in den Auspuffemissionen verringert.
Die Verlängerung der Axiallinie der Anschlußöffnungen tangential zur Innenwandfläche der Vorkammern in Richtung auf die ungefähre Mitte des Kolbenbodens zu Beginn des Arbeitstaktes führt dazu, daß die aus der Vorkammer in die Hauptverbrennungskammer strömenden Abgase auf die Mitte des Kolbenbodens treffen, wodurch die Dispersion der Abgashitze zum Kolbenrand möglich wird.
Da nur ein Teil des Kolbens übermäßiger Hitze ausgesetzt wird, verlängert sich seine Lebensdauer.
Weiterhin wird eine Konfiguration geschaffen, bei der die Lufteintrittsöffnungen und die Austrittsöffnungen von dem Kolben geöffnet und geschlossen werden. Zudem ist eine variable Verdichtungsvorrichtung eingebaut worden, welche während des Betriebs des Motors im niedrigen und mittleren Drehzahlbereich die Position des oberen Randes der Öffnung der Austrittsöffnungen senkt und bei Betrieb im hohen Drehzahlbereich jenen Rand anhebt. Dadurch ist während des Betriebs bei niedrigen bis mittleren Drehzahlen das Verdichtungsverhältnis höher und der Ausstoßzeitpunkt verzögert, wohingegen im Betrieb mit hoher Drehzahl das Verdichtungsverhältnis verhältnismäßig geringer ist und der Ausstoßvorgang früher einsetzt. Zudem ist eine größere Querschnittsfläche der Abgasöffnungen vorhanden.
Diese Konfiguration erhöht das Verdichtungsverhältnis während des Anlassens, wodurch der Motor leichter anzulassen ist, und die Drehung der Motor wird in den niedrigen und mittleren Geschwindigkeitsbereichen weiter stabilisiert. Darüber hinaus wird während des Betriebs mit hohen Drehzahlen nicht nur der Pumpverlust vermindert, sondern auch der Ausstoßwiderstand ist geringer, was zu einer verbesserten Leistung führt.

Claims

1. Verbrennungsmotor mit Wirbelvorkammer, wobei

jeder Zylinder des Motors eine Hauptverbrennungskammer (27) innerhalb des Zylinders umfaßt und

eine Vorkammer (30) zu jedem Zylinder gehört, wobei diese Vorkammer (30) in einem Zylinderkopf (5) des Motors ausgebildet wird und über eine Anschlußöffnung (28) mit der jeweiligen Hauptverbrennungskammer (27) verbunden ist,

und sich die Vorkammer (30) über einen großen Teil des Querschnitts des Zylinders erstreckt,

dadurch gekennzeichnet, daß

die minimale Querschnittsfläche der Anschlußöffnung (28) auf der Grundlage eines Volumenverhältnisses bestimmt wird, welches als das Volumen der Vorkammer (30) und der Anschlußöffnung (28) zum Volumen der Vorkammer (30), der Hauptverbrennungskammer (27) und der Anschlußöffnung (28) am oberen Totpunkt des jeweiligen Kolbens (20) definiert ist, so daß die Querschnittsfläche klein ist, wenn das Volumenverhältnis klein ist, und die minimale Querschnittsfläche größer ist, wenn das Volumenverhältnis größer ist, wobei die minimale Querschnittsfläche der Anschlußöffnung (28) 1,3% der Querschnittsfläche der Zylinderbohrung (2a) beträgt, wenn das Volumenverhältnis bei 65% liegt, und 2,2%, wenn das Volumenverhältnis bei 97% liegt.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Innenwandfläche der Vorkammer (30) einen durchgehend abgestuften Rand oder Vorsprung (42) aufweist, wobei der abgestufte Rand oder Vorsprung (42) im wesentlichen senkrecht zur Verwirbelungsrichtung eines in der Vorkammer (30) erzeugten Wirbels verläuft.

3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkopf (5) einen unteren Kopf (5a) mit mindestens einem Abschnitt, der einen Teil der Vorkammer (30) bildet, und einen oberen Zylinderkopf (5c), mit mindestens einem Abschnitt umfaßt, der einen Teil der gleichen Vorkammer (30) bildet.

4. Motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil der Vorkammer (30) im oberen Zylinderkopf (5c) einen halbkreisförmigen Querschnitt auf einer Ebene aufweist, welche die Längsachse (C) des Zylinders umfaßt, und

der Teil der Vorkammer (30) im unteren Kopf (5a) einen Querschnitt aufweist, der die Form eines offenen Trapezes hat, und

der abgestufte Rand oder Vorsprung (42) in der Berührungsebene des unteren Kopfes (5a) und des oberen Zylinderkopfes (5c) geschaffen wird.

5. Motor nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil der Vorkammer (30) im unteren Kopf (5a) durch eine Zündkerze (5b) gebildet wird, die vom unteren Kopf (5a) aufgenommen wird, wobei die Zündkerze (5b) zwischen der Vorkammer (30) und der Hauptverbrennungskammer (27) angeordnet ist und die Anschlußöffnung (28) umfaßt.

6. Motor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet; daß der Vorsprung (42) von einer Dichtung (45) gebildet wird, die sich zwischen dem oberen Zylinderkopf (5c) und dem unteren Kopf (5a) befindet, wobei die Dichtung (45) eine zur Vorkammer (30) ausgerichtete zentrale Öffnung aufweist und der Rand der zentralen Öffnung in die Vorkammer (30) hineinragt.

7. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Anschlußöffnung (28) tangential von der Innenwandfläche der Vorkammer (30) erstreckt und zu Beginn des Arbeitstaktes zu einem zentralen Bereich eines Bodens (18a) des jeweiligen Kolbens (18) ausgerichtet wird.

8. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch Lufteinlaß- und Auslaßöffnungen, die von dem Kolben (18) geöffnet und geschlossen werden, und durch eine Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses (26), welches beim Betrieb des Motors im unteren und mittleren Drehzahlbereich die obere Randposition der Auslaßöffnung senkt und im hohen Drehzahlbereich des Motors den oberen Rand der Auslaßöffnung des Motors anhebt.