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Brennkraftkolbenmaschine mit Gemischansaugung und Zeitpunktfremdzündung
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftkolbenrnaschine mit Gemischansaugung und Zeitpunktfremdzündung,
mit einem im Verhältnis zum Hauptbrennraum sehr kleinen Nebenbrennraum, in den durch
ein gesteuertes Ventil ein fettes erheblich sauerstoffarmes Kraftstoffluftgemisch
eingesaugt wird und in dem die Zündkerze angeordnet ist und mit einem Hauptbrennraum,
in den durch ein gesteuertes Ventil ein vergleichsweise mageres Kraftstoffluftgemisch
eingesaugt wird, wobei zwischen beiden Brennräumen eine Verbindung geringen Querschnittes
vorgesehen ist.
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Die bekannten Brennkraftkolbenmaschinen mit einer direkten Verbindung
des Hauptbrennraumes zum Nebenbrennra.um führen die vom Zündfunken ausgelöste Zündflamme
in gerader Linie von den Elektroden bis in den Hauptbrennraum. In allen Vorkammern
dieser Brennkraftkolbenmaschinen wird ein fast stöchiometrisches Brennstoff-Luft-Gemisch
hergestellt und verbrannt, so daß in dem Hauptbrennraum eine Fackel von maximaler
Temperatur verbrennt. Der Nachteil dieses direkten Zündvorganges besteht darin,
daß dieser trotz der hohen Temperatur der Vorkammerfackel im Hauptbrennraum aber
zeitlich einen ausgedehnten Ablauf darstellt.
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Wie durch die Erfinder in eingehenden Untersuchungen nachgewiesen,
werden im Vorkammermotor hohe Verbrennungsgeschwindigkeiten und eine besonders hohe
Stabilität im Ablauf des Verbrennungsprozesses und demzufolge bedeutende wirtschaftliche
und leistungsmäßige Antidetonationseffekte stets nur dann erzielt, wenn das Arbeitsgemisch
durch eine Fackel aus Produkten der unvollständigen Verbrennung eines brennstoffreichen
Hilfsgemisches mit einer Luftüberschußzahl von etwa 0,5 entzündet wird. Unter den
Produkten der unvollständigen Verbrennung der Vorkammerfackel befinden sich aktive
Zwischenprodukte der Oxydation, darunter vermutlich Peroxyde, Aldehyde sowie freie
Radikale und Atome. Unter den Produkten der unvollständigen Verbrennung befindet
sich auch eine erhebliche Menge an Kohlenoxyd und an molekularem Wasserstoff, die
beide höchste Verbrennungstemperaturen aufweisen.
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Die aktiven Produkte der unvollständigen Verbrennung sind fähig, rasch
die Entflammung des Arbeitsgemisches mit nur kurzen Hemmperioden einzuleiten und
die Verbrennung des Arbeitsgemisches wesentlich zu beschleunigen, ungeachtet dessen
weitgehend variierter Zusammensetzung. Hierbei pflanzt sich aber die als Fackel
bezeichnete Flamme aus der Vorkammer nicht weiter fort. Die Aufgabe der Konstruktion
des Vorkammersystems hinsichtlich der Zündung, insbesondere bezüglich des Querschnittes
und der Formgebung der die Verbindung zwischen dem Hauptbrennraum und der Vorkammer
bildenden düsenartigen Kanäle, besteht gerade darin, die Fackel abreißen zu lassen,
d. h. zum Erlöschen zu bringen, wenn sie aus den Kanälen austritt, um mehrere kleine
Herde durch das turbulente Abreißen zu bilden. Das ist gerade der Grund, weswegen
bei der Anwendung optimaler Querschnitte der Düsen die Fackelflamme in der Nähe
der Kanäle beim Eintritt mit großer Geschwindigkeit in den Hauptbrennraum fotografisch
nicht zu ermitteln ist. Die Flamme entsteht aber von neuem in einem gewissen Abstand
von der Vorkammer. Somit handelt es sich hier nicht um eine Fackel der entstandenen
Flamme, sondern um eine Fackel von aktiven Produkten der unvollständigen Verbrennung.
Hierbei findet die Einleitung einer neuen Entflammung statt und nicht eine Weiterverbreitung
der Flamme aus der Vorkammer in den Hauptbrennraum.
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Erfindungsgemäß wird dieser Effekt nur dadurch erreicht, daß der Inhalt
des Nebenbrennraumes etwa 2 bis 3 0!o des Hauptbrermraumes beträgt, die Verbindung
geringen Querschnitts in an sich bekannter Weise aus vorzugsweise zwei engen kurzen
Kanälen besteht, deren Achsen in einer etwa senkrecht zur Zylinderachse stehenden
Ebene in mittlerer Höhe des Hauptbrennraumes liegen und die auf der der Zündkerze
gegenüberliegenden Seite in den Nebenbrennraum
einmünden, und daß
die Achsen der Kanäle außerhalb der Elektroden der Zündkerze vorbeigehen und auf
einen Prallansatz treffen, der in an sich bekannter Weise zwischen den Elektroden
und den Kanalmündungen angeordnet ist.
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Es ist zwar bereits bekannt, Prallansätze für Zündelektroden zu verwenden
- nicht jedoch zum Schutz gegen die zurückschlagenden Flammen aus dem Hauptbrennraum.
Die bekannten Prallansätze dienen vielmehr nur zum Schutz gegen ein Benetzen der
Kerzen durch flüssige Brennstoffe, wenn diese im übermaß in den Nebenbrennraum gelangen.
Es handelt sich erfindungsgemäß somit um einen Prallansatz anderer Art und Aufgabe.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung liegen die Wandteile des
Hauptbrennraumes im Bereich der Mündungen der Kanäle senkrecht zu den Achsen dieser
Kanäle. Es entstehen dadurch scharfkantige Kanalmündungen in diesem Raum, wodurch
der Löschvorgang der aus dem Nebenbrennraum austretenden Flamme gefördert wird.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert.
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In F i g. 1 ist ein Schnitt durch einen Vergasermotor mit Haupt- und
Nebenbrennraum dargestellt. In F i g. 2 ist ein Schnitt durch den Hauptbrennraum
und den Nebenbrennraum gezeigt, und zwar durch die Kanäle und die Zündkerze.
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Der Nebenbrennraum 1 mit geringem Inhalt, etwa 2 bis 3 % des Hauptbrennraumes,
befindet sich neben dem Hauptbrennraum 2 und steht mit diesem durch die düsenartigen
Kanäle 3 in Verbindung. Die Kanäle sind in einer senkrecht zur Zylinderachse stehenden
Ebene unter einem Winkel zueinander an der am weitesten von der Zündkerze 4 entfernten
Stelle angeordnet. Die Zündkerze befindet sich in dem Nebenbrennraum hinter einem
Prallansatz, der entweder eingegossen oder als Teil 26 eingepreßt wird. Die
Wandteile des Hauptbrennraumes im Bereich der Mündungen der Kanäle liegen senkrecht
zu den Achsen der Kanäle.
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Die Betätigung des Ventils 5 des Nebenbrennraumes erfolgt durch den
Antrieb des Haupteinlaßventils, beispielsweise durch den Kipphebel 6. Dem
Hauptbrennraum wird -durch die Einlaßleitung 20 Gemisch vom Vergaser zugeführt.
Durch die Leitung 21 tritt vergleichsweise fettes Kraftstoffluftgemisch in
den Nebenbrennraum ein.
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Das System der Regelung von Nebenbrennraum-und Hauptbrennraumgemisch
ist für eine Kraftstoffzufuhr in solcher Menge und Zusammensetzung berechnet, daß
am Ende des - Verdichtungshubes sich in dem Nebenbrennraum eine Gemischzusammensetzung
ergibt, die stets durchschnittlich einer Luftüberschußzahl von 0,5 bis 0,6 entspricht
und im Grenzbereich von 0,4 bis 0,7 verbleibt, wobei die Zusammensetzung des Hauptbrennraumgemisches
nicht brennstoffreicher als theoretisch ist.
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Die Mündungen der Kanäle in dem Nebenbrennraum haben den größten Abstand
von der Zündkerze, und die sich schneidenden Achsen der Kanäle sind nicht gegen
die Zündkerze gerichtet. Das beim Verdichtungshub aus dem Zylinder in den Nebenbrennraum
überströmende Gemisch hat keinen unmittelbaren Einfluß auf die Bewegung des Gases
dicht an den Elektroden der Zündkerze, da von der Zündkerze ein Prallansatz auf
dem Wege des Gemisches aus dem Zylinder durch die Kanäle in den Nebenbrennraum angeordnet
ist. Dieser Prallansatz dient gleichfalls zur Verhütung von 17berhitzung der Zündkerzenelektroden
durch die während der Verbrennung aus dem Zylinder in den Nebenbrennraum strömenden
heißen Gase.
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Durch die beschriebene Anordnung der Kanäle wird eine Wirbelung des
Arbeitsgemisches im Hauptbrennraum durch die Fackel der aus dem Nebenbrennraum strömenden
aktiven Verbrennungserzeugnisse und gleichmäßige Erfassung des Gemisches im Hauptbrennraum
durch diese Fackel erzielt.
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Dabei bilden sich mehrere kleine turbulente Herde, in welchen das
Arbeitsgemisch mit den aktiven Teilen der Vorkammerfackel vermischt wird. Dank der
entstehenden verzweigten Kettenreaktionen erfolgt ein schnelleres Entflammen und
intensiveres Verbrennen des Gemisches.
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Durch völlige Vermeidung brennstoffreicher Gemische und Benutzung
brennstoffarmer Gemische bei allen Betriebsarten wird einerseits intensives Vorwärmen
des Arbeitsgemisches überflüssig, andererseits werden die erforderlichen Vorbedingungen
geschaffen für bessere Verdampfung und Gemischbildung sowie für gleichmäßige Gemischverteilung
auf die Zylinder. Deshalb ist bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine eine
Bauart der Einlaßgasleitung angewandt, bei der zwangläufige Vorwärmung des Kraftstoffluftgemisches
ausgeschlossen ist.
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Durch die Anwendung brennstoffarmer Gemische bei allen Betriebsarten
einer mit starkem Belastungswechsel arbeitenden Brennkraftmaschine, beispielsweise
eines Kraftwagenmotors, sowie durch das Einhalten einer hohen Temperatur der Zylinderwände
und einer hohen Öltemperatur im Kurbelgehäuse wird dazu beigetragen, daß mögliches
Kondensieren des Benzins an den Zylinderwänden verringert und das Fortspülen von
Öl und die Bildung von Ölkohle beseitigt werden. Dies führt zur Herabsetzung der
Abnutzung des Motors und insbesondere des Veischleißes von Zylinder, Kolben und
Kolbenringen. Durch besseres Arbeiten der Schmierung und lange Stabilität der Güte
des Öls im Kurbelgehäuse wird der Ölverbrauch vermindert.
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Die Verbesserung der technisch-wirtschaftlichen Kennziffern der Brennkraftmaschine
bei der Anwendung im Kraftfahrzeugwesen kommt in einer wesentlichen Steigerung der
Wirtschaftlichkeit der Kraftstoffausnutzung oder in einer Verlängerung der Fahrstrecke
bei einem bestimmten Kraftstoffvorrat (um mehr als 15 %) zum Ausdruck, desgleichen
in einer Herabsetzung der erforderlichen Oktanzahl des Kraftwagenbenzins (um 10
bis 14 Punkte) oder in einer Erhöhung des zulässigen Verdichtungsgrades (etwa um
1). Dies trägt zu einer wesentlichen Steigerung der spezifischen Leistung und der
dynamischen Eigenschaften des Kraftwagens bei.
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Die Verbesserung der Betriebseigenschaften der Brennkraftmaschine
drückt sich in einer Verringerung der Wärmespannungen der Verbrennungsraumteile
und besonders des Auspuffventils aus, in einer Herabsetzung des Ölverbrauchs und
Steigerung der Lebensdauer und Verschleißfestigkeit der Maschine sowie in der Beseitigung
des Ausstoßens schädlicher Erzeugnisse unvollständiger Verbrennung in die Außenluft.
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Alle diese Eigenschaften werden auf Grund von Steigerung der Verbrennungsgeschwindigkeit
und
Verbesserung der Stabilität beim Verlauf des Verbrennungsvorganges
durch Anwendung der beschriebenen Fackelzündung erzielt.