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Brennkraftmaschine mit Vorkammer Die Erfindung bezieht sich auf Brennkraftmaschinen
mit Kraftstoffeinspritzung in eine mit Zündkerze ausgerüstete Vorkammer und Einführung
eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in den Zylinderraum.
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Es ist bereits eine Brennkraftmaschine dieser Bauart beschrieben,
bei der die Vorkammer den größeren Teil des Verdichtungsraumes am Ende des Verdichtungshubes
bildet, so daß der größereTeil der frischen Ladung beim Verdichtungshub in die Vorkammer
gedrückt wird. Entsprechend wird bei dieser bekannten Brennkraftmaschine die Gesamtmenge
oder wenigstens der größere Teil des Kraftstoffes in die Vorkammer eingespritzt,
und die Regelung der Maschine erfolgt durch die Regelung dieses in die Vorkammer
eingespritzten Kraftstoffes. Diese Art der Regelung hat den Nachteil, daß die Zusammensetzung
des Kraftstoff-Luft-Gernisches in der Vorkammer je nach eingestellter Leistung verschieden
ist, so daß die Zündung bei niedriger Leistung- also ärmerem Gemisch - unsicher
wird und die Vorkammer einer besonderen konstruktiven Durchbildung bedarf, um die
Zündung bei ärmerem Gemisch zu verbessern. Außerdem erfolgt bei dieser Brennkraftmaschine
die Kraftstoffeinspritzung in die Vorkammer während des Ansaughubes. Hierdurch gelangt
ein Teil des in die Vorkammer eingeführten Kraftstoffes durch Absaugen während der
Vollendung des Ansaughubes in den Zylinderraum, wodurch die Zusammensetzung des
Gemisches in der Vorkammer nachteilig beeinflußt wird. Dies, verbunden mit der Tatsache,
da.ß der größere Teil der Zylinderladung während der Verdichtung in die Vorkammer
gedrückt wird, führt auch dazu, daß der prozentuale Kraftstoffanteil im Augenblick
der Zündung im ganzen Verbrennungsraum schon weitgehend ausgeglichen ist, so daß
Klopfgefahr bestehen kann.
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Es ist auch schon eine Brennkraftmaschine bekannt, bei welcher über
ein erstes Einlaßventil Luft oder ein armes direkt in den Zylinder und über ein
zweites Einlaßventil ein reiches Brennstoff-Luft-Gemisch in eine neben dem Zylinder
liegende, mit Zündkerze versehene Auslaßventilkaminer eingeführt wird. Bei dieser
Brennkraftmaschine öffnet das Ventil für die Einführung des reichen Gemisches in
die Auslaßventilkaminer, kurz nachdem der Kolben den oberen Totpunkt überschritten
hat, und schließt etwa 40° nach Überschreiten des unteren Totpunktes. Somit wirkt
nahezu der gesamte Saughub des Kolbens auf das reiche Gemisch, so daß dieses zu
einem großen Teil durch Absaugen in den Zylinder gelangt. Dies führt dazu, daß die
Zusammensetzung des Gemisches während des Zündens im ganzen Verbrennungsraum weitgehend
ausgeglichen ist, so daß bei dieser Maschine die Klopfgefahr nicht beseitigt ist.
Die neue Brennkraftmaschine ist dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzung des
Kraftstoffes in die Vorkammer erst etwa am Ende des Ansaughubes bzw. vorzugsweise
während des Anfangsstadiums des Verdichtungshubes erfolgt. Vorzugsweise wird der
Kraftstoff während des Anfangsstadiums des Verdichtungshubes in die Vorkammer eingespritzt.
Außerdem beträgt gemäß der Erfindung der Anteil des Rauminhalts der Vorkammer weniger
als 35% und vorzugsweise zwischen 15 und 35 % des Rauminhalts des gesamten Verdichtungsraumes.
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Die Einspritzung erfolgt also bei der neuen Brennkraftmaschine zu
einem Zeitpunkt, wo im Zylinderraum und in der Vorkammer ein niedriger Druck herrscht,
die Vorkammerladung also von der Saugwirkung des Motorkolbens nicht beeinflußt wird.
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Der Mengenanteil des in die Vorkammer eingespritzten Kraftstoffes
beträgt vorzugsweise zwischen 15 und 35 % des für Vollast erforderlichen Gesamtkraftstoffverbrauchs,
und direkt in den Zylinder wird ein armes Kraftstoff-Luft-Gemisch eingeführt, das
bei Vollast einen Kraftstoffgehalt aufweist, der weniger als 80% des für eine stöchiometrische
Zusammensetzung erforderlichen Kraftstoffgehaltes beträgt.
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Bei einer solchen Ausbildung der Brennkraftmaschine wird in der Vorkammer
ein reiches Gemisch gebildet, das leicht entzündbar ist und die; Verbrennung ohne
Schwierigkeit auf das im Zylinder enthaltene arme Gemisch überträgt, Da eine Vermischung
des reichen und armen. Gemisches nicht stattfinden
kann, ist auch
eine stoßweise Verbrennung, die zu den bekannten Klopferscheinungen führt, bei dieser
Anordnung nicht möglich.
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Die Regelung der Motorleistung kann dadurch erfolgen, daß die Zusammensetzung
des armen, dem Zylinder direkt zugeführten Kraftstoff-Luft-Ceinisclies geändert
wird, wobei die in die Vorkammer eingespritzte Kraftstoffmenge jedoch konstant gehalten
wird: Dies hat den Vorteil, daß die Zündung im ganzen Leistungsbereich gleich gut
bleibt und trotzdem eine rein qualitative Regelung der Motorleistung erhalten wird.
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Zur Regelung der Zusammensetzung des dem Zylinder direkt zugeführten
armenKraftstoff-Luft-Gemisches kann in der Zuführungsleitung für die Verbrennungsluft
ein Vergaser vorgesehen sein, dessen Kraftstoffzuführung ein durch eine Betätigungsvorrichtung
steuerbares Regelglied aufweist. Statt eines Vergasers kann jedoch auch eine mit
einem Regelglied ausgestattete Gaszuführungsleitung vorgesehen sein, die in die
Zuführungsleitung für die Verbrennungsluft mündet.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen
an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Fig. 1 und 2 sind schematische Darstellungen von Zweitaktmotoren,
die für die Verwendung der Erfindung eingerichtet sind.
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Bei den dargestellten Ausführungsformen ist 1 der Motorzylinder, 2
der :Motorkolben und 3 die Vorkammer. Die Abmessungen dieser Vorkammer werden vorzugsweise
so gewählt, daß der Rauminhalt der Vorkammer zwischen 15 und 351/o des gesamten
Rauminhalts des Verdichtungsraumes liegt. Der Ausdruck »Verdichtungsraum« umfaßt
denjenigen Teil des Motorzylinders, der sich am Ende des inneren Totpunktes oberhalb
des Kolbens befindet, sowie die Vorkammer.
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Die Zuführung des armen Gemisches erfolgt durch die Luftleitung 4,
die mit einem Vergaser 6 versehen ist, der seinerseits mit einem gemäß Fig. 1 in
der Kraftstoffleitung angeordneten Regelventil 7 ausgerüstet ist.
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Etwa am Ende der Abwärtsbewegung des Kolbens, d. h. wenn innerhalb
des Zvlinders ein niedriger Druck herrscht, wird in der Vorkammer 3 ein reiches
Gemisch gebildet. Dies wird dadurch erreicht, daß man Kraftstoff mittels einer einfachen
Niederdruck-Kraftstoffpumpe 14 (Fig. 1), die mit einem Regelventil 11 versehen ist,
einspritzt.
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Die Zündkerze 8, die das reiche Gemisch etwa am Ende des Verdichtungshubes
entzündet, ist ebenfalls in der Vorkammer 3 angeordnet. Da das Gemisch in der Vorkammer
reich ist, erfolgt die Zündung hier leicht. Die Verbrennung wird ohne Schwierigkeit
auf das arme Gemisch in dem verbleibenden Teil des Verdichtungsraumes übertragen.
Das brennende Gasgemisch in der Vorkammer dehnt sich infolge der erhöhten Temperatur
aus und bahnt sich einen Weg zu dem Motorzylinder, dessen Rauminhalt sich von dein
Augenblick an, in dein ein Abwärtshub beginnt, vergrößert. Die als Begleiterscheinung
auftretenden intensiven Strömungen und Wirbel gewährleisten eine gute Übertragung
der Verbrennung auf das vorhandene arme Gemisch.
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Die Zusammensetzung des durch das Einlaßveritil 5 (Fig. 1) zugeführten
a.rinen Gemisches ist vorzugsweise so zu wählen, daß der Kraftstoffgehalt weniger
als 80% des für eine stöchiometrische Zusammensetzung erforderlichen Kraftstaffgehalt;
beträgt. und die für die Bildung des reichen Gemisches vorgesehene Kraftstoffmenge
wird vorzugsweise so groß gehalten, daß sie ausreicht, um zu gewährleisten, daß
die Zusammensetzung in der Vorkammer stöchiometrisch oder nahezu stöchiornetrisch
ist, was unter den beschriebenen Bedingungen einer Kraftstoffnicrige entspricht,
die zwischen 15 und 351/o des für Vollast erforderlichen Gesamtkraftstoffverbrauch:
liegt. Wird der N-orkanimer zu viel Kraftstoff zugeführt, kann dies zu einer unwirtschaftlichen
Verbrennung vori Kraftstoff führen; wird zu wenig Kraftstoff zugeführt, wird keine
befriedigende Zündung erzielt; wenn der Rauminhalt der Vorkammer klein ist und die
Bedingungen im übrigen gleich sind, ist auch bei dein erwähnten Grenzwert von 15%
noch eine befriedigende Zündung und eine gute Übertragung der Verbrennung auf das
arme Gemisch gewährleistet.
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Wenn zur Bildung des reichen Gemisches zu viel Kraftstoff zugeführt
wird, kann dies zu Klopferscheinungen führen; der Kraftstoffgehalt des gesamten
Gemisches, d. h. des reichen und des armen Gemisches zusammen, kann dann einen solchen
Wert annehmen, daß eine geringfügige Durchmischung des reichen und des armen Gemisches
infolge Diffusion oder aus anderen Gründen dem armen Gemisch eineZusainmensetzung
gibt, bei der das verdichtete Endgas plötzlich verbrennt, so daß dann ein Klopfen
auftritt. Es sei hinzugefügt, daß die Einspritzung des Kraftstoffes in die Vorkammer
vorzugsweise während des Anfangsstadiums des Verdichtungshubes erfolgen soll, wenn
der Druck im Zylinder noch niedrig ist und eine Strömung des reichen Gemisches aus
der Vorkammer in den Zylinderraum hinein verhindert wird. Wenn das arme Gemisch
zu reich gemacht wird, ergibt sich naturgemäß ebenfalls Klopfgefahr.
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Die Erfindung läßt sich sowohl beim Viertaktverfahren als auch beim
Zweitaktverfahren anwenden. Bei Verwendung eines Viertaktmotors wird das arme Gemisch
durch den Motor angesaugt, und die Verhrennungsprodukte verlassen den @Verdichtungsrauni
beispielsweise durch ein im Zylinderkopf vorgesehene,, Auslaßventil. Bei Anwendung
der Erfindung attf einen Zweitaktmotor gemäß Fig. 1 muß die Luft für das arme Gemisch
in der üblichen Weise mittels eines Vorverdichters komprimiert werden. Die Verbrennungsprodukte
verlassen dann den Zylinder durch die in der Zylinderwand vorgesehenen Öffnungen
13.
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Fig. 2 stellt schematisch einen Zweitaktmotor mit Kurbelgehäusespülung
dar. Die Zufiihrurigs@-orrichtungen nebst den Regel- und Einstellvorrichtungen zur
Bildung eines armen bzw. eines reichen Gemisches sind durch die Bezugszeichen 19
und 20 schematisch angedeutet. Während des Verdichtungshubes wird das arme Gemisch
aus der Leitung 4 durch das Rückschlagventil 21 in die Kurbelgehäusekarmner 22 hineingesaugt,
und am Ende des Arbeitshubes gelangt dieses Gemisch über die Leitung 23 und die
Einlaßöffnungen 24 in den Zylinder 1, wo es die Verbrennungsprodukte, die den Zylinder
durch das Auslaßventil 25 verlassen, verdrängt. Die Kraftstoffzuführung für das
reiche Gemisch erfolgt vorzugsweise unmittelbar. nachdem die Einlaßöffnungen 24
durch den Kolben 2 geschlossen worden sind. d. h. bei Beginn des Verdichtungshubes.
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Die Regelung kann stets finit Hilfe des Regelventils 7 erfolgen, und
es ist ersichtlich, daß diese Regelung die Füllung des Zylinders nicht beeinflußt,
so daß die Regelung ausschließlich qualitativ erfolgt. Der thermische Wirkungsgrad
des Verfahrens ist hoch, da das Medium, mittels dessen (las Arbeitsspiel
durchgeführt
wird, bei niedrigen Motorbelastungen im wesentlichen aus Luft besteht, die infolge
ihrer thermischen Eigenschaften, insbesondere des Verhältnisses CnlC" einen größeren
thermischen Wirkungsgrad in einem zyklischen Prozeß besitzt als ein Kraftstoff -Luft-Gemisch
von nahezu stöchiometrischer Zusammensetzung. Darüber hinaus werden die Pumpverlust.e,
die sich bei quantitativer Regelung infolge der Drosselung in der Zuführungsleitung
ergeben, vermieden.
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Die Nachteile einer qualitativen Regelung, bei denen es sich unter
anderem um die geringe Verbrennungsgeschwindigkeit bei armen Gemischen handelt,
wodurch die Verbrennung verzögert wird, sowie die Unsicherheit der Zündung, werden
durch die Erfindung ausgeschaltet, wie aus dem Vorstehenden ersichtlich ist.
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Wenn man mit dem Zweitaktverfahren arbeitet, ergibt sich ein weiterer
Vorteil insofern, als die Spülung bei Leerlauf, d. h. bei im wesentlichen geschlossenem
Ventil 7, mittels eines sehr armen Gemisches oder sogar ausschließlich mittels Luft
erfolgen kann, so daß praktisch kein Kraftstoffverlust eintritt, wodurch wiederum
der Kraftstoffverbrauch günstig beeinflußt wird. Auch beim Leerlauf wird ein solcher
Zweitaktmotor nicht im Viertakt arbeiten, da das Gemisch in der Vorkammer auch bei
Leerlauf reich genug ist, um seine Zündung durch die Zündkerze 8 zu gewährleisten.
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Wird eine Kraftstoffpumpe (14 in Fig. 1) verwendet, genügt eine sehr
einfache Pumpe, beispielsiveise eine kleine Membranpuinpe, da diese Pumpe, wie bereits
erwähnt, ausschließlich zur Förderung bei niedrigem Druck benötigt wird.
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Das Regelventil 11 dient dazu, die Zufuhr zur Bildung des reichen
Gemisches einzustellen, und es hat nicht die Aufgabe eines Regelmittels während
des normalen Betriebes, wenn auch die Erfindung diese ergänzende Regelmöglichkeit
nicht ausschließt.
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Ebensowenig schließt die Erfindung eine ergänzende Regelmöglichkeit
mit Hilfe eines Drosselventils aus (in den Figuren nicht dargestellt), wobei dieses
Drosselventil in der Luftleitung 4 angeordnet ist, um zu ermöglichen, daß der Motor
auch eine negative Leistung erzeugt, oder um ein gleichmäßiges Arbeiten des Motors
bei sehr geringer Belastung zu erzielen.
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Dadurch, daß die Klopfgefahr erheblich vermindert wird, kann das Verdichtungsverhältnis
hoch sein; es kann beispielsweise 1 : 10 betragen, so daß der thermische Wirkungsgrad
höher sein kann als beim normalen Benzinmotor, wodurch sich bei Vollast ein höheres
Drehmoment und über den gesamten Belastungsbereich ein niedrigerer Kraftstoffverbrauch
ergibt. Abschließend sei darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht auf die gegebenen
Beispiele beschränkt ist und daß sie auch auf andere Bauarten von Verbrennungsmotoren
angewendet werden kann.