DE2006181B2

DE2006181B2 - Brennkraftmaschine mit Haupt- und Nebenbrennkammer

Info

Publication number: DE2006181B2
Application number: DE2006181A
Authority: DE
Inventors: Bela Pittsburgh Pa. Karlovitz (V.St.A.)
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1969-02-11
Filing date: 1970-02-11
Publication date: 1978-03-09
Also published as: DE2006181A1; US3643644A; DE2006187A1; FR2035292A5; IT12706A; GB1305602A; FR2037371A5; GB1261176A

Description

20

ist, wobei ψ die Dicke der Flammenfront, S„ die Geschwindigkeit der Flammenfrontausdehnung, U» die Geschwindigkeit des Brennstrahls und α ein von den Strömungsverhältnissen um den Strahl abhängiger Zahlenfaktor in der Größenordnung von 1 bis 2 J5 ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Nebenkammer (5) 3 bis 15% des gesamten Kompressionsvolumens beträgt.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beispielsweise bei Spitzenbelastungen ein fetteres Luft-Brennstoff-Gemisch ohne oder mit mengenmäßig sehr geringen Antiklopfmitteln eingeleitet und innerhalb eines Kurbelwinkels von 30° verbrannt wird.

4. Brennkraftmaschine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Nebenkammer (5) zwischen 8 und 12%, vorzugsweise etwa 10%, des gesamten Kompressionsvolumens beträgt.

5. Brennkraftmaschine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkerze (SA) in der Hauptbrennkammer (4) angeordnet ist.

6. Brennkraftmaschine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkerze (SB) in der Nebenkammer (5) angeordnet ist.

7. Brennkraftmaschine nach mindestens einem der bo Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch ein Brennstoff-Luft-Mischungsverhältnis mit einem Luftanteil von mindestens 18 : 1.

8. Brennkraftmaschine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennung bei extrem abgemagertem Gemisch innerhalb eines Kurbelwinkels von 60" vollendet ist.

KohlenwasserstolTanteil
HC CO NO

(ppm) (Gew.-%) (ppm)

Gegenwärtiger Normal- 275 1,5 350

zustand
Standardwerte für 1970 180 1,0 350

Äußerst zulässige Ziel- 65 0,5 175

werte

(ppm = Teile pro Million, bezogen auf das Gewicht.)

Diese Werte entsprechen den in einem standardisierten Testprogramm zur Simulierung städtischer Verkehrsbedingungen gemessenen Durchschnittswerten.

Um den durchschnittlichen CO-Gehalt im Abgas unter 0,5% zu drücken, genügt es, wenn der Motor bei einem Luft-Brennstoff-Verhältnis von etwa 16 betrieben wird. Solche etwas mageren Gemische verbrennen in den heutigen Motoren ziemlich rasch und bringen befriedigende Ergebnisse, solange keine Spitzenleistung erzielt werden soll. Die Verwendung solcher mageren Gemische bietet keine Schwierigkeiten, wenn das Ansaugsystem den Zylindern ein gleichmäßig einheitliches Gemisch zuführen kann. Die Verminderung des NO-Anteils im Abgas auf akzeptable Werte erfordert jedoch wesentlich magerere Gemische, beispielsweise Gemische mit einem Luft-Brennstoff-Verhältnis von etwa 18 bis 20.

Bei den heute üblichen Otto-Motoren erfordert die Verbrennung der Zylinderfüllung bei rascher abbrennenden Gemischen einen Kurbelwinkei von etwa 50 bis 60", während für langsamer verbrennende magere Gemische mit einem Luft-Brennstoff-Verhältnis von über 16 ein Kurbelwinkel von etwa 90° benötigt wird. Diese lange Verbrennungszeit bedeutet Leistungsverluste aufgrund der Bewegung des Kolbens während der Verbrennungsperiode. Bei sehr mageren Gemischen fallen das Drehmoment und der Wirkungsgrad des Motors auf unannehmbare Werte von IO bis 20% oder mehr ab, und der Betrieb des Motors wird träge. Durch die lange Brenndauer steht außerdem genügend Zeit zur Selbstzündung eines Teils der hochkomprimierten Füllung zur Verfügung (Klopfverbrennung), wenn dem Brennstoff nicht genügend Antiklopfzusätze beigemengt sind, die ebenfalls zur Verschmutzung beitragen.

Es ist eine Brennkraftmaschine der im Hauptanspruch umrissenen Gattung bekannt (US-PS 29 24 210), bei der die Nebenbrennkammer der Aufgabe dient, den Gehalt schädlicher Bestandteile im Abgas durch Verbrennen magerer Gemische herabzusetzen. Um ein möglichst mageres Gemisch in einem relativ kleinen Kurbelwinkel verbrennen zu können, erhält die Nebenbrennkammer in diesem Fall eine Gestaltung, bei der die Wandung etwa Spiralform mit wachsendem Erzeugungsradius hat, wobei der Verbindjngskanal tangential in diese

Kummer einmündet, so daß sich der Abschnitt größeren Radius auf der einen Seite des Verbindungskanals und eine Zündkerze am Ende der Spirale befindet. Da auf diese Weise der Verbindungskanal asymmetrisch in die Kammer mündet, verursacht das einströmende Gemisch eine schnelle Rotation des Gases innerhalb der Nebenbrennkammer, wobei durch die Zentrifugalwirkung Brennstoffteilchen gegen den äußeren Rand der rotierenden Masse geschleudert werden, so daß sich an diesem Rand ein fetteres Gemisch ergibt, das durch die im Bereich dieses Rands liegende Zündkerze gezündet wlmiIlmi kann. Die Zündung ist somit von der spezifischen Gestaltung der Nebenbrennkammer abhängig und beruht, auf der örtlichen Anreicherung des Gemisches. π

Über die Querschnittsbemessung des Verbindungskanals ist neben den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gemeinsamkeiten beim bekannten Gegenstand und beim Erfindungsgegenstand in der US-PS 29 24 210 in einem Beispiel beschrieben, diese Bemessung — bezogen auf eine durchschnittliche Flammenfront in der Nebenbrennkammer — so zu wählen, daß die Brennstrahlgeschwindigkeit annähernd der dreifachen Geschwindigkeit der Flammenfrontausbreitung in einem ruhigen Gemisch (in der Nebenbrennkammer) ist.

In einem anderen bekannten Fall (US-PS 32 30 939) wird von vornherein in eine Nebenbrennkammer ein fetteres Gemisch unmittelbar eingeführt, wobei der Verbindungskanal einen vom Volumen der Nebenbrennkammer abhängigen Querschnitt haben soll, jo Abgesehen davon, daß zusätzliche Maßnahmen ».ur Gemischeinspeisung in die Nebenbrennkammer getroffen werden müssen, bleibt hier wie im anderen bekannten Fall der Verbrennungsablauf in der Hauptbrennkammer bei den gegebenen Lehren unberücksichtigt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei der die Zündung unabhängig von einer Anreicherung des Gemisches ist und der Verbrennungsablauf z. B. auch in der Hauptbrennkammer bei der Gestaltung Berücksichtigung findet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale nach dem Patentanspruch 1 gelöst. 4-5

Während des Betriebs wird das Gemisch in irgendeiner bekannten Weise dem Zylinder zugeführt. Durch die Bewegung des Kolbens erfolgt dann die Kompression des Gemisches. Ein Teil dieses Gemisches wird durch den Verbindungskanal in die Nebenbrennkammer gepreßt, wobei in dieser Kammer eine starke Verwirbelung oder Turbulenz auftritt. Das Gemisch wird dann über eine Elektrode durch Funken gezündet, wobei die Einstellung des Zündzeitpunktes nach allgemein bekannten Prinzipien erfolgt. Die Elektroden können in der Hauptbrennkammer angeordnet sein. Aufgrund der in der Nebenbrennkammer herrschenden Turbulenz brennt das Brennstoff-Luft-Gemisch sehr rasch ab, wobei ein sehr rascher Druckanstieg entsteht. Die Gase in der Nebenbrennkammer werden dann durch den Verbindungskanal in die Hauptbrennkammer ausgestoßen und erzeugen in dieser Kammer eine Verwirbelung. Der Querschnitt des Verbindungskanals und das Volumenverhältnis von Haupt- zu Nebenbrennkammer werden so gewählt, daß die aus der Nebenbrennkammer ausgestoßenen Verbrennungsprodukte in der Hauptbrennkammer eine ausreichende Turbulenz erzeugen, um eine vollständige Verbrennung innerhalb eines zufriedenstellenden Kurbelwinkels, für gewöhnlich 60°, sicherzustellen, jedoch keine so starke Turbulenz, daß die Flamme gelöscht wird. Das Volumen der Nebenbrennkammer sollte im Bereich von 3 bis 15%, vorzugsweise von 8 bis 12%, des Kompressionsvolumens liegen, um eine ausreichende Energie zur Turbulenzerzeugung bereitzustellen. Äußerst befriedigende Ergebnisse werden erzielt, wenn als charakteristisches Volumen für die Nebenbrennkammer 10% des Kompressionsvolumens zugrunde gelegt werden. Die Größe des Verbindiingskanals wird zum Teil durch den Umfang der erforderlichen Turbulenz und andererseits durch die Bedingungen bestimmt, die zum Durchtritt einer Flamme durch eine Öffnung notwendig sind. Wird die Zündung beispielsweise in der Nebenbrennkammer vorgesehen, so muß der Verbindungskanal ausreichend groß sein, um der Flamme den Austritt aus der Nebenbrennkammer zu ermöglichen. Findet die Zündung andererseits in der Hauptbrennkammer statt, so muß der Verbindungskanal wiederum so groß sein, daß die Flamme in die Nebenbrennkammer vorstoßen kann. In nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen Motoren lassen sich sehr magere Brennstoff-Luft-Gemische ohne Leistungsverlust verbrennen, abgesehen vom Betrieb bei rascher Beschleunigung, wobei nur zu diesen Zeiten stöchiometrische Gemische verwendet werden müssen. Die Anwendung sehr magerer Gemische und starker turbulenter Vermischung ergibt einen Ausstoß an Motorabgasen mit sehr geringen Gehalten an No, Co und unverbrannten Kohlenwasserstoffen.

Weiterhin lassen sich erfindungsgemäße Motoren mit einem Brennstoff betreiben, dem — wenn überhaupt — nur sehr geringe Anteile an Antiklopfzusätzen beigegeben sein müssen, so daß sich auch daraus nur ein sehr geringer unerwünschter Ausstoß an Blei oder anderen chemischen Antiklopfzusätzen ergibt. In diesem Fall ergibt sich für die Bemessung des Verbindungskanals und das Volumenverhältnis von Haupt- zu Nebenbrennkammer eine weitere Angabe, die in der Forderung besteht, eine Turbulenz ausreichender Intensität zu erzeugen, um das stöchiometrische Brennstoff-Luft-Gemisch innerhalb eines Kurbelwinkels von etwa 30° zu verbrennen. Eine der überraschenden Ermittlungen, auf denen die Erfindung fußt, besteht darin, daß es möglich ist, eine Größe des Verbindungskanals und ein Volumenverhältnis zwischen Haupt- und Nebenbrennkammer anzugeben, durch die es möglich ist, einerseits die Erfordernisse für Normalbetrieb bei mageren Brennstoff-Luft-Gemischen und andererseits die Anforderungen zu erfüllen, die sich bei Spitzenleistungsbetrieb unter Verwendung von Gemischen ergeben, die nahezu stöchiometrischen Brennstoff-Luft-Verhältnissen entsprechen.

Bei Anwendung der Erfindung läuft die Verbrennung so rasch ab, daß der Motor die meiste Zeit ohne Leistungsverlust mit sehr mageren Gemischen betrieben werden kann. Während Spitzenleistungsbetrieb jedoch ist, wie bereits ausgeführt, ein nahezu stöchiometrisches Gemisch erforderlich, wenn die Abmessungen des Motors nicht wesentlich vergrößert werden sollen. Da jedoch der Spitzenleistungsbetrieb nur wenige Prozent zum gesamten Motorausstoß beiträgt, ist die Verwendung von nahezu stöchiometrischen Gemischen während des Betriebes mit Spitzenleistung zulässig, ohne daß sich insgesamt eine ins Gewicht fallende Erhöhung der schädlichen Anteile im Abgas ergibt.

Werden Motoren gemäß der Erfindung betrieben, so lassen sich sehr magere Gemische ohne Verlust an

Leistung oder Wirkungsgrad verwenden, wenn eine ausreichend starke Turbulenz während der Verbrennungsperiode in der Brennkammer erzeugt wird. Dadurch läßt sich eine so starke Beschleunigung der Verbrennung erreichen, daß der Verbrennungsvorgang innerhalb eines Kurbelwinkcls von 60 bis 30° abgeschlossen sein kann. Die zu diesem Zweck erforderliche Intensität der Verwirbelung ist geringer, jedoch nicht wesentlich geringer als die Turbulenzstärke, die für die Flamme zulässig wäre, ohne diese zu löschen.

Es ist bekannt, daß die für ilen Vcrbrennungsvorgang erforderliche Zeit in starkem Maße vom Grad der Turbulenz abhängt. Tatsächlich wird heute bei Otto-Motoren von dieser Erkenntnis in starkem Maße Gebrauch gemacht. Verschiedene Möglichkeiten und Entwürfe zur Erzeugung von Turbulenz durch Verschieben der Zylinderfüllung durch den Kolben oder durch Beeinflussung der Einströmgeschwindigkeit der Gcmischfüllung werden angewendet. Da die Turbulenz jedoch sehr rasch abklingt, wird diese gemäß der Erfindung dann erzeugt, wenn sie gebraucht wird.

Turbulenz bringt außer der Abkürzung der Verbrennungszeit einen weiteren vorteilhaften Effekt mit: Nahe den Wänden der Brennkammer und in den Spalten zwischen dem Kolben und der Zylinderwand liegt eine dünne Schicht aus Brennstoff-Luft-Gemisch, die durch die vorbeistreichende Flamme nicht verbraucht wird, da die Flamme im Bereich der Wand abgekühlt wird, d. h. erlischt. Eine ausreichend starke Verwirbelung vermischt diese brennbare Schicht mit dem abbrennenden Gas oder den heißen Verbrennungsprodukten. Dadurch wird diese dünne Schicht gezündet und ebenfalls abgebrannt. Damit ist auch der Anteil an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Abgas wesentlich vermindert. Wie schon erwähnt, werden bei Spitzenleistung von Otto-Motoren nahe dem stöchiometrischen Verhältnis liegende Brennstoff-Luft-Gemische benötigt. Diese Gemische müssen im allgemeinen Antiklopfzusälze enthalten, um ein Klopfen des Motors zu verhindern. Wird jedoch die richtige Turbulenzstärkc erzeugt, so können diese Gemische so rasch genug verbrannt werden, daß der Anteil an diesen Zusätzen vermindert oder ganz eingespart werden kann. Mit der Erfindung ist es daher möglich, eine nach dem Otto-Prinzip arbeitende Brennkraftmaschine sowohl bei normaler als auch bei Spitzenleistung so zu betreiben, daß die Abgase wenig oder gar keine Anteile an Blei bzw. Bleiverbindungen oder anderen chemischen Antiklopfzusätzcn aufweisen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figur näher erläutert, die eine schematische Schniltansicht einer Brennkraftmaschine nach dem Otto-Prinzip mit Zylinder und Kolben zeigt.

Bei Otto-Motoren besteht der Zylindcrinhalt nach der Kompression aus einem Gemisch von vergastem Brennstoff und Luft. Die Verbrennungsreaktion erfolgl in einem solchen Gemisch in einer sehr dünnen Vcrbrcnnungswelle bzw. l'himmenfront, die sich in die unverbrannlen Gcmischantcilc hinein ausbreitet. Auf Grund von Turbulenz ist diese Flammcnfront stark gefurcht, so daß insgesamt eine große Flammenfrontfläehe in einem kleinen Volumen auftritt. Der Rcaklionsgrad pro Volumencinlieil ist proportional zur Gesamtfläche der Flammcnfronl, so daß die Füllung in kurzer Zeit durch die verwirbeln I lamme verbraucht ist.

Die Ausdehnung der l'lammenfront in einem Brennstoff-Luft-Gemisch Ki durch die Geschwindigkeit der Front und durch die Dicke der Flammenfninl bestimmt, die als S₁, und als η_η bezeichnet sind. Da· Verhältnis dieser beiden Größen (η«/S₁) ergibt die charakteristische Zeit der Flammcnfronl (h). Die Dicke der Flammcnfront und die ßrcnngcschwindigkcii sini <-, über die Beziehung

<■ ρ ■ ν ■ S₁₁
miteinander verbunden, worin

A die Wärmeleitfähigkeit des unverbrannlen Gemisches in cal/cm°C see,

C₁, die spezifische Wärme des unvcrbrannten Gemisches in cal/g°C und
r, ο die Dichte des unverbrannten Gemisches in g/cm'

bezeichnen.

Die Turbulenz läßt sich durch den quadratischen Mittel- oder Effektivwert der stöchiometrisch verteilten

2(i Geschwindigkeiten, gewöhnlich als Stärke oder Intensität der Turbulenz mit u' bezeichne!, und durch die Durchschnittsgröße der stochastisch auftretenden Wirbel, die als Maß der Turbulenz mit / bezeichnet ist charakterisieren. Das Verhältnis dieser beiden Größen

>-) (IAi') ergibt die charakteristische Zeitspanne der Turbulenz (T).

Die turbulente Bewegung erstreckt sich gleichmäßig über die Fläche einer in einem turbulenten brennbaren Medium vorherrschenden stochastisch gefurchten

jo Flammenfront, während beim Abbrennen des brennbaren Gemisches die Flammenfrontfläche verschwindet Theoretische Berechnungen und Erfahrungswerte zeigen, daß die zur vollständigen Verbrennung in einem turbulenten Medium erforderliche Zeit etwa dem

Γ, 12fachen der charakteristischen Zeit entspricht, d. h., es ergibt sich

Δ t=\2l/u'.

Es zeigt sich jedoch, daß die zur Verbrennung 4(i erforderliche Zeit durch Erhöhung der Turbulenzintensität verkürzt werden kann. Andererseits ist die kürzestmögliche Zeit begrenzt durch die Bedingung daß die charakteristische Zeit der Turbulenz nicht kürzer sein kann als die charakteristische Zeit der 4-, Flammenfront. Daraus ergibt sich, daß die charakleristi sehe Kennzahl

kleiner sein muß als ein kritischer Wert in der Größenordnung von Eins. Erreicht diese charakteristische Zahl ihren kritischen Wert, so bricht die Flammenfront auf Grund der raschen Ausbreitung ν-, auseinander, und die Flamme wird vom Brennstoff-Luft-Gemisch gelöscht.

Beispiel 1

Als typisches Zahlenbeispiel für einen Motor mil

mi einem Kompressionsverhältnis von 10 : !,der mit einem sehr mageren Brennstoff-Luft-Gemisch (Luftanteil = 20] betrieben wird, können die folgenden Zahlenwcrlc angenommen werden:

i,^r. .S'„ = 20 cm/see,

(i = 9,2 ■ 10 ' g/cm'.

c_r = 0,24 ca l/g" C,

λ =0.6-10 ⁴CaIZcIiV¹C see.

Damit ergibt sich

0.6· K)"

Als charakteristische Zeit der Flammenfront und als kiir/csi/ulässigc charakteristische Zeit der Turbulenz ergibt sich damit

0,136- 10-

der Intensität, die für die Flamme noch sicher zulässig ist.

Eine rasche Verbrennung kann einen rauhen Lauf des Motors zur l^:olge haben, wenn der Beirag des Druckanstiegs pro Grad Kurbelwinkel 3,50 kg/cm² übersteigt. Die Verbrennung eines stöchiomclrischen Gemisches in einem Motor mit einem Kompressionsverhältnis von 10:1 innerhalb eines Kurbelwinkels von 30" jedoch würde lediglich einen Druckanstieg von

. ._»W J VVJWVI I TTUIVIV I V Vll£ll Vl I VIIIVIl IVI UV.IVUll.)ll(.g V VJI I

= 0 68IO~⁴sec = ( ■—] ^|(l etwa 3,08 kg/cm² erzeugen, wenn der Druckaufbau

\"'/min gleichmäßig, d. h. ohne schroffe Übergänge, erfolgt. Bei

Der Betrieb des Motors mit solch mageren Gemischen (Lufianteil = 20) ist ohne Lcistungsvcrlust möglich, wenn die Verbrennung innerhalb eines Kurbelwinkels von etwa 45° beendet werden kann. Bei 3000 UpM ergibt sich die für die Verbrennung zur Verfügung siehende Zeit zu

Die für eine vollständige Verbrennung in diesem Zeitintervall notwendige charakteristische Tnrbulcnz-ZL'ii ergibt sich dann zu

T=-" = 12

2,5·

Ί 2

= 2,1

F.s ist klar erkennbar, daß die erforderliche Turbulenzintensität deutlich unter der zulässigen Grenze liegt. Damit ist es möglich, ein sehr mageres Gemisch mit einem Mischungsverhältnis von Luft zu Brennstoff von 20 innerhalb eines Kurbelwinkels von 45", selbst bei 3000 UpM, zu verbrennen, wenn eine richtig bemessene Verwirbelung in dem Gemisch erzeugt wird.

Beispiel Il

Beim gleichen Motor wie in Beispiel I wird ein nahezu 4» stöchiometrisches Gemisch mit 5_u=40cm/sec und 7/0 = 0,068 · 10"² verbrannt, woraus sich als charakteristische Zeit der Flammenfront oder auch

gleichmäßig, d. h. ohne schroffe Übergänge, erfolgt. Bei Turbulenzerzeugung durch eine unabhängige Vorrichtung, beispielsweise durch Austritt eines Strahls aus der Nebenbrennkammer, ergibt einen gleichmäßigen

r> Druckanstieg.

Es ist weiterhin sehr wahrscheinlich, daß der rauhe Lauf eines Motors nicht so sehr vom Maß des Druckanstiegs als von der Form der Druckkurvc abhängt. Eine geringe Abnahme der Brenngcschwindig-

2Ii keil während des letzten Teils der Verbrennung scheint eine vorteilhafte Auswirkung auf den gleichmäßigen, ruhigen Lauf zu haben. Da der von der NebcnbrennkamiTier aus eintretende Strahl nicht mehr wirkt, wenn etwa die Hälfte der Füllung verbraucht ist, so kann eine

2^r) geringe Abnahme der Verbrennungsgeschwindigkeit erwartet werden.

Die Turbulenz wird dadurch erzeugt, daß Energie in große Wirbel eingebracht wird, die ihrerseits immer kleinere Wirbel vortreiben. In statischem oder quasi-

JO statischem Zustand ist das Maß der Turbulenz, /, durch die Geometrie des Systems bestimmt und ist zu einigen charakteristischen Abmessungsgrößen desselben proportional. Dieses System sei als annähernd konstant angenommen, obgleich die Intensität der Turbulenz, <;', in weiten Grenzen variieren kann.

Das Maß der Energieabsorption pro Massencinheil des turbulenten Mediums ist bestimmt zu

d/

'ίο
S„

0,068- K)"
40

= 0,17· 10~⁴sec =

ergibt.

Um für diesen Brennstoff die Antiklopfanforderungen zu vermindern, ist es wünschenswert, die nahezu slöchiomctrischen Gemische bei Vollastbetrieb innerhalb eines Kurbclwinkcls von etwa 30" zu verbrennen. Bei 3000 UpM ergibt sich das zur Verfügung stehende Zeitintervall zu

Ii =

30 60
360 3(XX)

= 1,66· 10' see.

für die

Die erforderliche charakteristische Zeit
Turbulenz ergibt sich damit zu

T = _T2 = ₁₂ =1.4-10 ⁴sec.

Dies isl weniger als die charakteristische Zeil der llammcnfront, und damit liegt die für vollständige Verbrennung innerhalb des gewünschten kurzen Zeitintervalls erforderliche Turbtilcn/intensitäl deutlich unter Darin entspricht ξ der kinetischen Energie der Turbulenzbewegung pro Masscncinhcit des Mediums, und t. entspricht dem Maß der Energieaufzehrung bzw. Energiedämpfung. Ohne kontinuierliche Energiezufuhr fällt die kinetische Energie der turbulenten Bewegung, ~2~)< um den Faktor 1/c== 0,367 während des

Zeitintervalls T— l/u'ab. Dies zeigt, daß bei den für eine rasche Verbrennung erforderlichen sehr kurzen charakteristischen Zeiten die Turbulenz nicht wesentlich vor der Verbrennungsperiode in die Füllung eingebracht werden kann. Die Turbulenz muß dann erzeugt werden, wenn sie erforderlich ist.

Die obige Encrgieabsorplionsgleichung zeigt auch, daß die charakteristische Zeit sich bei durch fortgesetzte Energiezufuhr aufrechterhaltener Turbulenz reziprok zur dritten Wurzel der Fnergiczuführgeschwindigkeil ändert, d. h., die sich ergebende charakteristische Zeit ist nicht übermäßig empfindlich gegen Änderungen der F.ncrgiczuführgcschwindigkcit. Große Änderungen der F.nergie/.uführgeschwindigkcit beeinflussen die sich

daraus ergebende charakteristische Zeit der Turbulenz, die zur Steuerung der Verbrennung erforderlich ist, nur in geringem Maße. Dieser Umstand ist sehr vorteilhaft, da eine genaue Steuerung und Überwachung der Energiezufuhr zur Turbulenzerzeugung unier den variablen Betriebsbedingungen eines Kolbenmotors nicht möglich ist.

Turbulente Flammen oder Flammenkerne selbst erzeugen Turbulenz durch unterschiedliche Beschleunigung zufällig gemischter verbrannter und unverbrr.nnter Gasmassen. Die Intensität der durch diese Vorrichtung erzeugten Turbulenz hangt ab von der Geometrie der Flammenbegrenzung. Bei Kolbenmotoren ist dieser Vorgang festgelegt durch die Tatsache, daß fettere Gemische, die bei der Verbrennung ein größeres Expansionsverhältnis ergeben, rascher verbrennen als magere Gemische. Dieser Effekt spielt beim Verbrennungsprozeß heute üblicher Motoren eine wichtige Rolle, er ist jedoch nicht stark genug ausgeprägt, um die gewünschten kürzeren Verbrennungszeiten zu erreichen.

Eine Möglichkeit, während des Verbrennungsvorgangs die erforderliche starke Turbulenz zu erzeugen, ergibt sich durch die Verwendung einer kleinen Nebcnbrennkammer, die mit der Hauptbrennkammer des Zylinders über einen Verbindungskanal in Verbindungsteht.

In der Zeichnung ist die Hauptbrennkaminer 4 durch Zylinderwände 1, den Zylinderkopf 2 und einen Kolben 3 umgrenzt. Der gezeigte Schnitt ist so gewählt, daß die Einlaß- und Auslaßventile nicht gezeigt sind. Die I Iuuptbrennkammer4 ist mit einer Nebenbrennkammer 5 über einen Verbindungskanal 6 verbunden. Zündelektroden (Zündkerzen) sind an verschiedenen Stellen gezeigt. (Selbstverständlich wird nur eine Elektrode verwendet.) Die Elektrode 84 ist so angeordnet, daß sie ein Brennstoff-Luft-Gemisch in der Hauptbrennkammcr zünden kann. In diesem Fall ist die Elektrode dem Verbindungskanal 6 zu angeordnet. Eine Elektrode SI3 ist in der Nebenbrennkammer vorgesehen.

Während des Kompressionsschubs wird frisches Brennstoff-l.uftgemisch durch die öffnung in die Nebenbrennkammer gedrückt. Die dabei durch den Verbindungskanal auftretende Geschwindigkeit laßt sich aus der folgenden Formel abschätzen:

Darin bedeutet

U = Strömungsgeschwindigkeit durch den Verbindungskanal,

Up = Kolbengeschwindigkeit,

A₁, — Kolbenfläche,

Λ - Querschnittsfläche des Verbindungskanals,

Vi = Volumen der Nebenbrennkammer(konstanl),

V.' = Zylindervolumen über dem Kolben (variabel).

Die kinetische Energie des in die Nebenbrennkammer eintretenden Stroms wird rasch in Turbulenz umgesetzt, so dali zum Zeitpunkt der Zündung durch die Zündkerze, die in der Haupt- oder Nebenbrennkammer angeordnet sein kann, das Gemisch in der Nebenbrennkammer einer starken Turbulenzbewegung unterworfen ist. Befindet sich die Zündkerze in der Hauptbrennkaminer. d. h. außerhalb der Nebenbrennkammer, so wird die Flamme durch den Zustrom brennenden Gemisches in die Nebenbrennkammer vorgetragen. In dem stark turbulenten Gemisch in der Nebenbrennkammer erfolgt die Verbrennung sehr rasch. Kurz nach der Zündung übersteigt der Druck in der Nebenbreniikain^r> nier den Druck im Zylinder, und ein Flammenstrahl hoher Geschwindigkeit wird in die Hauptbrennkammer ausgestoßen. Dieser Strahl breitet die Flamme über das Volumen der Hauptbrennkaminer aus und erzeugt die für eine rasche vollständige Verbrennung notwendige

ι» Turbulenz. Während des raschen Druckanstiegs in der Hauptbrennkaminer kehrt sich das über den Verbindungskanal herrschende Dmckdiffcrential wiederum um, und die Nebenbrennkammer wirkt nun als Dämpfung gegen Druckschwankungen. Während des

r> Expansionshubs und zur Zeit der Öffnung des Auslaßventils ist der Druck in der Nebenbrennkammer wiederum höher als im Zylinder, so daß wiederum ein Strahl durch den Verbindungskanal austritt. Dieser Strahl mischt und reißt den Zylinderinhalt mit und erleichtert dadurch den Abbrand gelöschter Bruchteile des Gemisches.

Die zur Turbulenzerzeugung verfügbare Gesamtenergie ist proportional zum Volumen der Nebenbrennkammer und zum Expansionsverhälinis des verbrannten

-'"> und unverbrannten Gases. Dieses Verhältnis ist daher für fettere Gemische größer als für magere Gemische. Dies ist von Vorteil, da fette Gemische rascher abbrennen müssen, um Selbstzündung und Klopfen des Motors zu vermeiden.

ii) Die Geschwindigkeit, mit der die zur Turbulen/er/eugung verwendeten Energie zugeführt wird, hängt ab von der anfänglichen Turbulenzintensität in der Nebenbrennkammer. Die Geschwindigkeit der Energiezuführung und die Turbulenzintensität steigen daher, wie

i") erforderlich, mit zunehmender Moiordrchzahl an.

Das erforderliche Nebenbrennkamnicrvolumeii läßt sich aus der für die Turbiilenzerzeiigiing während der gesamten Verbrenniingsperiode erforderlichen Gesamtenergie abschätzen.

Beispiel 111

Für einen Motor mit einem Kompressionsverhülmis von 10:1, einer Bohrung von 98,5 mm und einem Hub von 76,2 mm beispielsweise, der mit einem mageren 4"> Gemisch (l.uftanteil = 20) bei 3000 UpM und einem für die Verbrennung zulässigen Kurbelwinkel von 4ϊ
betrieben wird, ergeben sich für die Verbrennung folgende Werte:

.1 /=>,·> ■ IO 'see

ίο Brenndauer

Erforderliche

charakteristische

Turbulenzzeit 7"= 2,1 ■ 10-⁴ see

Maß der Turbulenz /=0,2 cm

Yi Erforderliche

Turbulenzintensität u'= lOOOcm/sec

Aufzehrungsgeschwindigkeit der Turbulenzenergie t: = 0,71 ■ I0¹" erg/g see

Masse der Zylinderfüllung M= 0,7 g
Wi Erforderliche

Gesamtenergie zur

Aufrechterhaltung des

Turbulenzniveaus

während der Verbrennung Q)=l2^r>· 10^r'erg

Bei U— 26 000 cm/sec Strahlge:ehwindigkeit (ein typischer Wert) ergibt sich der für den Strahl erforderliche Gesamtmassenstrom zu G = 0.036 a. Dies

entspricht 5% der Masse der Zylinderfüllung. Nur elwa die Hälfte des in der Nebenbrennkamnier enthaltenen Gases kann vor dem Druckausgleich zwischen Nebenbrennkainmer und Hauplbrennkammer entweichen. Das erforderliche Volumen der Nebenbrennkamnier ergibt sich somit zu etwa 10% des Kompressionsvolumens oder 6 cm'. Die Querschnittsfläche des Verbindungskanals wird aus der Volumen-Durchflußleistung bzw. -menge und der angenommenen Strahlgeschwindi^keit errechnet. Daraus ergibt sich eine Fläche von ,4 = 0,1 cm-, und bei einem Strömungskoeffizienten von 0,5 folgt daraus ein Durchmesser von 0,5 cm.

Bei gegebenem Nebenbrennkainmervolumen und gegebener Querschnittsfläche des Verbindungskanals hängen die tatsächliche Strahlgeschwindigkeit und die zur Turbulenzerzeugung verfügbare Energie vom Maß der Verbrennung bzw. der Verbrennungsgeschwindigkeil in der Nebenbrennkaiiimer ab. Es ist nicht möglich, die Abbrandgeschwindigkeit in der Nebenbrennkammer genau vorauszuberechnen. Für jeden Motortyp jedoch lassen sich die Strahlgeschwindigkeit und die durch den Strahl erzeugte Turbulenzintensität experimentell durch Veränderung der Verbindungskanalquersehnittsgröße einstellen. Bei kleinem Querschnitt ergibt sich eine höhere Einsirömgeschwindigkeit in die Nebenbrennkaiiimer und damit eine raschere Verbrennung. Dadurch erhöht sich auch die Ausströmgeschwindigkeit des Strahls. Einen größeren Querschnitt vermindert die Abbrandgeschwindigkeit in der Nebenbrennkamnier und damit auch die Strahlgeschwindigkeit. Bei richtiger Wahl der Querschnittsfläche ist es möglich, die für eine erwünschte kurze Brenndauer der Füllung ausreichende Turbulenzimensität zu erzeugen, die noch sicher unter der zulässigen Grenze liegt.

Bei kleineren Motordrehzahlen ändern sich die Strömungsgeschwindigkeiten, die Verbrcnnungsgeschwindigkeitcn, die Ttirbulenzintensität usw. annähernd linear mit der Drehzahl. Damit bleibt der für die Verbrennung benötigte Kurbelwinkel annähernd konstant.

IV

Beispiel

Derselbe Motor wie in Beispiel III wird mit einem stöchiometrisehen Gemisch mit 5„ = 40 cm/sec bei 3000 LJpM betrieben, wobei für die Verbrennung ein Kurbelwinkel von 30" zugelassen wird. Dabei ergeben sich folgende entsprechende Werte:

.1 I = 1,66 · 10 "see,

T = 1.4 · 10 ^ see,

/ = 0,2 cm,

//' = 1400 cm/sec,

<■; = 2 · 10">erg/g see,

Q = 230 10'' erg,

IJ = 32 000 em/sec (die Strahlgeschwindigkeit ist wegen des höheren Temperaturanstiegs bei der Verbrennung größer als bei mageren Gemischen),

Cj = 0,045 g oder 6,4% der Rillung.

Das Nebenbrennkammervolunieii von bein¹ ist wegen des größeren Expansionsverhällnisses des Gemisches bei der Verbrennung ausreichend.

Da der in diesem Beispiel beschriebene Motor so betrieben werden kann, daß die Verbrennung innerhalb eines Kurbelwinkels von JO" im wesentlichen abgeschlossen ist, ist es, wenn überhaupt, erforderlich, dem Brennstoff wenig Antiklopl'/.usät/.e zuzufügen.

Der Durchmesser des Verbindungskanals muß so bemessen sein, daß bei in den Kompressionsraum des Zylinders hineinragender Zündkerze die Flamme durch den Kanal in die Nebenbrennkamnier mit der durch den ·> Komprcssionshub des Kolbens erzeugten Strahlgeschwindigkeit eintreten kann. Umgekehrt muß der Durehmesser bei in der Nebenbrennkammer vorgesehenen Zündkerze ausreichend groß sein, um der Flamme den Durchtritt durch den Kanal mit einer durch

in die Verbrennung des in dieser Nebenbrennkamnier enthaltenen Gemisches erzeugten Strahlgeschwindigkeit zu ermöglichen.

Unter statischen Betriebsbedingungen, d. h. wenn keine Strömung durch einen Verbindungskanal vorgesehen ist, kann eine Flamme durch einen Kanal vorgetragen werden, wenn dessen Durchmesser größer ist als die Abschreck- oder Löschdistanz, die einem charakteristischen Eigenwert des Gemisches entspricht. Bei stöchiometrisehen Brcnnstoff-Luft-Geniischen ist

.'ο die Löschdistanz selbst bei Atmosphärendruck sehr klein, und sie ist umgekehrt proportional zum absoluten Druck. Bei Atmosphärendruck beispielsweise ergibt sich für ein stöchiometrisches Propan-Luft-Gemisch eine Löschdistanz von 0,19 cm. Demzufolge können

r> Flammen unter statischen Bedingungen durch sehr kleine öffnungen, insbesondere bei hohen Drücken, vorgetragen werden.

Die Bedingungen für d.n Durchtritt einer Flamme sind sehi verschieden, wenn über den Verbindungskanal

jo ein Druckdifferential besteht, durch das ein Strahl erzeugt wird. In diesem Fall kann die Flamme nur in Strömungsrichtung und nicht in Gegenrichtung vorgetragen werden. Weiterhin muß die Flamme durch den Bereich der durch den Strahl erzeugten hohen

r, Turbulenzintensität hindurchtreten. Das Kriterium für das Aufrechterhalten der Flamme ist dasselbe wie in irgendeinem anderen stark turbulenten Medium, d. h., die charakteristische Zeit der Verbrennungsfront, i/o/S„, muß kleiner sein als die charakteristische Turbulcnzzeit,

.to 7"= IAi'. Im kritischen Bereich, in dem der laminare Kern des Strahlstroms vollständig turbulent wird, ergibt sich die vom Strahl herrührende charakteristische Turbulenzzeil zu

Uo '

Darin ist

ίο (Zu der öffnungsdurchniesser,

Midie Strömungsgeschwindigkeit in dem Vcrbindungskanal,

λ ist ein Zahlenfaktor in der Größenordnung von 1 bis 2, dessen Wert abhängt von ilen Strömiingsbedin-•V" > gungen um den Strahl.

Die Größe des Verbindungskanals ist damit begrenzt durch die folgende Gleichung:

d >

Für den Fall, bei dem die Zündung in der Hauptbrennkammer erfolgt und die Flamme in die Nebenbrennkamnier vorgetragen werden muß, lüßt sich die Geschwindigkeit des die Flamme vortragenden

20 06

Strahls aus der oben angegebenen Formel bestimmen, d. h. aus

U=V -t -' ^r A W

Beispiel V

Bei einem Motor mit 76,2 mm Hub, einem Kompressionsverhältnis von 10 : I ergeben sich bei 3000 UpM und Zündung bei 20° (BTOC) vor OT folgende Werte:

U₁, = 415 cm/sec,

V₂ = 78cm^J,

Vi = 6 cm'iNebenbrennkammervolumen),

A_n = 76 cm²,

A = 0,2 cm²(0,5 cm Verbindungskanaldurchmesscr).

U = 415 -^- =^=12 000 t-m/sec= 120 m/scc. U,2 7o

Es sei weiterhin angenommen, daß •f/(/5,/=0,68 · 10 ⁴ see (wie in Beispiel I berechnet) und (X = 2 sei.

Durch Einsetzen in die Formel

ergibt sich

0,6KiO-⁴ - 1.2 · ΙΟ⁴

(/ > r = 0,408 cm.

in

Damit ergibt sich, dall ein Verbindungskanaldurch messer von 0,5 cm uusrcielvjnd ist, um einen Durchtril der llamme bei dem gewünschten mageren Gemisch /. ermöglicihcn.

Wahrend des Expansionshubs ist der Druck in de Nebenbrennkammer stets etwas größer als der Dme im Zylinder. Der aus der Nebenbrennkammer austrc tendc Strahl vermischt den Zylindcrinhalt. Dabc werden die kalten unverbrannten Anteile der Füllun mit den heißen Verbrennungsprodukt gemischt un verbrannt. Die Geschwindigkeit des aus der Neben brennkammer austretenden Strahls wird wiederui nach der Formel

berechnet.

Bei 3000 UpM und 90" nach dem oberen Totpunk ergibt sich beispielsweise eine Strahlgesehwindigkci von 8000 cm/sec. Beim späteren öffnen des Auslaßvcn tils, wenn der Druck im Zylinder rasch abfällt, erreich der Strahl für eine kurze Zeil annähernd Sehallge schwindigkeit. Wird der Motor mit mageren Gemische! und nie mit fetteren als stöchiometrischcn Gcmischei betrieben, so darf erwartet werden, daß durch dl· sorgfältige Durchmischung des Gases im Zylinder durcl den Strahl während der F.ntspannungs- und Auslaßpha se die unverbrannten Kohlenwasserstoffe aus den Abgas weitgehend vollständig entfernt werden.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Brennkraftmaschine nach dem Otto-Prinzip, die je Zylinder eine durch den Arbeitskolben begrenzte Hauptbrennkammer und eine über eine Verbindungsöffnung an diese angeschlossene Nebenbrennkammer aufweist, deren über die Hauptbrennkammer eingeführtes und letztere weitgehend homogen füllendes Brennstoff-Luft-Gemisch gezündet wird, wobei das Gemisch in Nebenkammer und Hauptbrennkammer in gewünschten Betriebsbereichen extrem abmagerbar ist und ein nach erfolgter Zündung aus der Nebenbrennkammer in das noch nicht verbrannte Gemisch hinein mit hoher Geschwindigkeit austretender Brennstrahl eine die Verbrennung derart beeinflussende Gemischturbulenz erzeugt, daß der Verbrennungsvorgang innerhalb eines vergleichsweise kleinen Kurbelwinkels vollendbar ist, und der Querschnitt der Verbindungsöffnung abhängig von einem Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit des Brennstrahls und der Geschwindigkeit der Flammenfrontausdehnung gewählt ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei weitgehend homogener Beschaffenheit des Brennstoff-Luft-Gemisches in der Nebenbrennkammer die Verbindungsöffnung (6) mindestens so groß wie

¹Io ' Uo

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine nach dem Otto-Prinzip, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und befaßt sich mit der Minderung der in Abgasen enthaltenen Verunreinigungen wie CO, NO und unverbrannte Kohlenwasserstoffe.

Die zulässigen Grenzen von schädlichen Abgasanteilen und die äußersten Grenzwerte, die die gesetzlich zulässigen Grenzen überschreiten, sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:

II)