DE19530072A1 - Sparsamer Benzinmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mit Benzin betriebenen Ottomotor, der ähnlich sparsam im Kraftstoffverbrauch ist, wie bekannte Dieselmotoren mit Direkteinspritzung.

Mit der Erfindung soll der Kraftstoffverbrauch von Ottomotoren auf das gleich niedere Niveau gebracht werden, wie dies bei Dieselmotoren möglich ist, ohne daß die Gefahr der Krebserregung durch die Abgase besteht.

Bekannt sind Dieselmotoren, die insbesondere im Teil­ lastbereich einen geringen Kraftstoffverbrauch aufweisen, weil das Diesel-Luft-Gemisch bei der Verbrennung bis 1/unendlich betragen kann. Ferner ist bekannt, den Kraft­ stoff direkt in den Zylinder einzuspritzen, um so die zusätzlichen Strömungswiderstände irgendeiner Vorkammer und deren Überströmkanal zu vermeiden. Zur weicheren Verbrennung in Dieselmotoren kann der Kraft­ stoff in 2 Teilmengen eingespritzt werden, wobei die erste Einspritzung während des Ansaugens der Luft erfolgt, um genug Zeit zur Vermengung mit der Luft zu haben, und die zweite Einspritzung die Zündung des Dieselgemischs durch die Kompression im Zylinder herbeiführt. Es sind Dieselmotoren bekannt, deren Zündung nicht durch die Kompression des Dieselgemischs erfolgt, sondern durch Ultraschall oder den Funken einer Zündkerze, wie beim Ottomotor. Im Dieselmotor wird die Luftzufuhr nicht mit einer Drosselklappe begrenzt, so daß der Dieselmotor immer ungedrosselt Luft ansaugt. Die ungedrosselte Luft wird bei der Verbrennung erhitzt und erhöht so die Leistung im Teillastbereich. Alle diese Maßnahmen führen dazu, daß der Wirkungsgrad des Dieselmotors höher ist und sein Kraftstoffverbrauch niedriger ist als beim Ottomotor.

Ottomotoren mit einer nachgeschalteten Abgasreinigung mittels Katalysator spritzen den Kraftstoff jedes Zylinders in dessen Ansaugrohr vor dem Einlaßventil. Die Einspritzung in das Ansaugrohr erfolgt mit Niederdruck. Die angesaugte Luft transportiert den eingespritzten, verdampfenden Kraftstoff in den jeweiligen Zylinder. Zur sicheren Zündung des Benzin-Luft-Gemisches beträgt das Verhältnis von Benzin/Luft = 1/14 im gesamten Zylinder. Im Ottomotor sind auch Schichtladungen bekannt, wo nur um die Zündkerze das Verhältnis Benzin/Luft = 1/14 beträgt und im übrigen Zylinder Luftüberschuß besteht. Der Luft­ überschuß ist jedoch bei dieser Lösung vergleichsweise gering. Bei allen Ottomotoren wird die Luftmenge in Abhängigkeit von der notwendigen Leistung begrenzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorteile eines Dieselmotors mit Direkteinspritzung und dessen Komponenten in einem Ottomotor zu nutzen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kraftstoff in den Ottomotor in 2 Teilmengen in den Brenn­ raum eingespritzt wird, wobei die erste, größere Teilmenge 1 das Benzin-Luft-Gemisch von 1/14 bis 1/unendlich variieren kann und der Leistungsregelung des Ottomotors dient und die zweite, kleinere Teilmenge 2 ein Benzin-Luft-Gemisch von 1/14 herstellt, wodurch die sichere Zündung z. B. mittels einer Zündkerze gewährleistet ist und die beiden Teilmengen zum Zeitpunkt der Zündung voneinander getrennt sind und danach die gezündete, expandierende Teilmenge 2 die größere Teilmenge 1 entzündet und beide Teilmengen die Verbrennung in einem gemeinsamen, sich ausdehnenden Brennraum fort­ setzen.

Die Beschreibung zeigt wie die Vorteile eines Dieselmotors mit Direkteinspritzung und dessen Komponenten in einem Otto­ motor genutzt werden können. Der Ottomotor verwendet die direkte Einspritzung in die Brennräume, die Aufladung, den Katalysator in gleicher Weise wie der Dieselmotor. Daneben besitzt er eine Zündanlage, welche den Zündzeitpunkt entlang der Klopfgrenze regelt, wie ein Ottomotor und evtl. einen Luftmengenmesser, wenn auf die Drosselklappe nicht völlig verzichtet wird. Die Leistungsregelung erfolgt wie beim Dieselmotor durch die Regelung der Einspritzmenge in den Brennraum 1 ohne eine Luftklappe. Zur sicheren Zündung mit Luftüberschuß besitzt jeder Zylinder einen zweiten Brenn­ raum. Dieser Brennraum 2 dient nur der sicheren Zündung des Benzin-Luft-Gemischs von 1/14 um die Zündkerze. Mit dem Zündzeitpunkt wird die Verbrennung entlang der Klopf­ grenze optimal gesteuert. Ist das Benzin-Luft-Gemisch des Brennraums 2 gezündet, springt es durch die Kolbenbewegung auf den Brennraum 1 über, dessen Benzin-Luft-Gemisch von 1/14 bis 1/unendlich variiert werden kann. Ist nur Luft im Brennraum 1, so wird die Verbrennung nicht unterstützt, diese Luft jedoch wie im Dieselmotor erhitzt. Ist im Brennraum 1 Kraftstoff, so wird die Verbrennung von Brenn­ raum 2 unterstützt, wobei die Verbrennung im Brennraum 1 dominiert. Auf diese Weise ist eine kontinuierliche Leistungs­ regelung von z. B. 1/20 möglich. 1 bedeutet nur Brennraum 2 ist aktiv, 20 bedeutet Brennraum 1 und 2 sind voll aktiv. Die Abgasreinigung ist wie bei Dieselmotoren durchzuführen, da der Luftüberschuß im Teillastbereich vermehrt NOX erzeugt.

Die Verwirklichung der beiden Brennräume kann auf ver­ schiedene Weise erfolgen. Fig. 1 zeigt einen Kolben, der die Brennräume 1 und 2 enthält. Im Brennraum 2 werden die beiden Teilmengen 1 und 2 der zentralen Kraftstoff-Ein­ spritzung 3 nacheinander zerstäubt, während des Luftansaugens wird die erste Teilmenge eingespritzt. Die beiden Brenn­ räume werden im oberen Totpunkt durch den Zylinderkopf getrennt. Ist die Trennung der beiden Brennräume im oberen Totpunkt erfolgt, so wird die restliche Kraftstoff­ menge in den Brennraum 2 gespritzt, um eine sichere Zündung im Brennraum 2 mit dem Zündfunken der Zündkerze 4 zu erreichen.

Fig. 2 zeigt einen Zylinderkopf ähnlich dem eines Diesel­ motors, mit Vorkammer 5, Einspritzung 8, Zündkerze 9, und dem Überströmkanal zum Zylinder 7. Die Vorkammer 5 bildet den Brennraum 2, der Zylinder 7 den Brennraum 1. Beide Brennräume 1 und 2 sind im oberen Totpunkt durch den Kolbenboden voneinander getrennt. Die Einspritzung der beiden Teilmengen 1 und 2 des Kraftstoffs kann zentral von der Einspritzung 9 durch die Vorkammer 5 erfolgen. Der Zylinder 7 kann für seine Einspritzung 1 auch eine eigene direkte Einspritzung besitzen oder eine indirekte Einspritzung in den Ansaugkanal aufweisen.

Die Umrüstung bestehender Ottomotoren erfolgt am einfach­ sten nach Fig. 3. Dabei wird die Zündkerze 12 so ausge­ bildet, daß sie zusätzlich ein Einspritzventil 13 für die Brennräume 1 und 2 enthält und vor der Zündelektrode 14 zusammen mit dem Kolbenboden den Brennraum 2 bildet. Der Verbrennungsprozeß im Zylinder wird durch die Zündkerze 12 nur unwesentlich beeinflußt. Für die Umrüstung eines üblichen Ottomotors werden anstatt der üblichen Zündkerze die Zündkerze 12 mit direkter Einspritzung und vorge­ lagertem Brennraum 2 eingebaut. Die Einspritzung in den Ansaugkanal wird entfernt und Drosselklappe, Luftmengen­ messer in offener Stellung lahmgelegt. Der geregelte Katalysator mit Lambda-Sonde wird gegen einen Katalysator mit NOX-Unterdrückung ausgetauscht. Möglicherweise ist für die direkte Einspritzung eine zusätzliche Hochdruck­ pumpe erforderlich. Zur Anpassung der Steuerung an die Teilmengen der Einspritzung muß dessen ROM-Speicher aus­ getauscht werden. Um die Gemischbildung und Verbrennung beizubehalten, kann es zweckmäßig sein, die indirekte Ein­ spritzung in den Ansaugkanal zu belassen und für den Brennraum 2 eine zusätzliche, kleine Einspritzung vorzu­ sehen.

Claims (8)

1. Ottomotor mit oder ohne Abgasreinigung, Aufladung, Regelung des Zündzeitpunktes entlang der Klopfgrenze, Luftmengenmesser und einer direkten Kraftstoff­ einspritzung in den Brennraum, wobei Einspritzmenge und Zündzeitpunkt von einem Steuergerät bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff in jeden Zylinder des Ottomotors in 2 Teilmengen in den Brennraum gespritzt werden, wobei die größere Teilmenge 1 des Benzin-Luft-Gemisches von 1/14 bis 1/unendlich variieren kann und der Leistungsregelung des Ottomotors dient und die kleinere Teilmenge 2 ein Benzin-Luft-Gemisch von ca. 1/14 herstellt, welches die sichere Zündung z. B. mittels einer Zündkerze gewährleistet und die beiden Teil­ mengen zum Zeitpunkt der Zündung der Teilmenge 2 voneinander getrennt sind und danach die brennende, expandierende Teilmenge 2 die größere Teilmenge 1 entzündet und in einer gemeinsamen, sich ausdehnenden Verbrennung fortgesetzt wird.

2. Ottomotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teilmengen in die beiden Brennräume (1) und (2) gespritzt werden, welche z. B. im Kolben ausgebildet sind und durch die Formgebung von Kolben und Zylinder­ kopf zum Zeitpunkt des oberen Totpunktes voneinander getrennt sind und mit der Zündung des Kraftstoffgemischs des Brennraums (2) und der Kolbenbewegung danach der größere Brennraum (1) zündet und die Verbrennung und Expansion des Kraftstoffgemisches im gesamten sich bildenden Brennraum fortgesetzt wird.

3. Ottomotor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzung der Teilmenge 1 nicht direkt in den Brennraum (1) erfolgen muß, sondern in den Ansaug­ kanal jedes Zylinders oder des gesamten Motors erfolgen kann, während die Einspritzung der Teilmenge (2) immer direkt in den kleineren Brennraum (2) erfolgen muß, wobei der Kraftstoff der in den Brennraum (1) eingespritzt wird mit dem Kraftstoff für den Brennraum (2) nicht identisch sein muß, so daß durch die Wahl beider Kraft­ stoffe eine optimale Verbrennung möglich ist.

4. Ottomotor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät für Einspritzung und Zündzeitpunkt die Teilmenge 1 entsprechend der geforderten Leistung des Ottomotors bestimmt und mit der Teilmenge 2 soviel Kraftstoff in den Brennraum 2 nachgespritzt wird, daß dort ein zündfähiges Benzin-Luft-Gemisch von 1/14 ent­ steht.

5. Ottomotor nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben die Brennräume (1) und (2) enthält, die durch den Zylinderkopf zum Zeitpunkt des oberen Tot­ punkts voneinander getrennt sind und der Brennraum (2) so ausgebildet ist, daß er die eingespritzten Teil­ mengen zerstäubt, wobei die erste Einspritzung (3) während des Ansaugens der Luft erfolgt und beide Brennräume (1) und (2) damit beliefert werden und die zweite Einspritzung kurz vor dem oberen Totpunkt und der Zündung erfolgt und nur im Brennraum (2) vor der Zündkerze (4) zerstäubt wird.

6. Ottomotor nach Anspruch 1-5 dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkopf eine irgendwie geartete Vorkammer (5) mit Überströmkanal (6) zum Zylinder (7) wie bei Diesel­ motoren enthält und die Vorkammer (5) den Brennraum (2) bildet, der neben der Einspritzung (8) eine Zündkerze (9) enthält, und der Zylinder (7) den Brennraum (1) bildet, wobei die Einspritzung (8) in den Zylinder (7) durch die Vorkammer (5) in direkter Einspritzung erfolgen kann oder mit einer zweiten, direkten oder indirekten Einspritzung (11) erfolgt, wobei die Brennräume (1) und (2) im oberen Totpunkt durch den Kolbenboden (10) vonein­ ander getrennt sind und die Einspritzung (8) in den Brennraum (2) kurz vor der Zündung erfolgt.

7. Ottomotor nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkerze (12) zusätzlich das Einspritzventil (13) enthält und die Zündkerze (12) vor der Zündelektrode (14) so ausgebildet ist, daß sie den Brennraum (2) bildet und die Brennräume (1) und (2) im oberen Totpunkt durch den Kolbenboden (15) getrennt werden.

8. Ottomotor nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Zündkerze nach Anspruch 7 durch die Ein­ spritzung von 2 Teilmengen auch ohne Trennung in 2 Brennräume eine Schichtladung des Benzin-Luft- Gemischs erzeugt wird, indem die erste Einspritzung beim Ansaugen der Luft erfolgt und die zweite Ein­ spritzung kurz vor der Zündung im oberen Totpunkt erfolgt.