DE2062323B2 - Zweitakt-Brennkraftmaschine mit Schichtladung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zweitakt-Brennkraftmaschine mit Schichtladung, bei der das zündfähige fettere Gemisch in den Bereich der Zündkerze unter Druck eingeführt wird und die Zusammensetzung des Gesamtgemischs Luftüberschuß besitzt.

Ein solcher Motor ist in der DTPS 15 76 028 beschrieben. Dieser bekannte Motor ist bereits in gewissem Maße in seinen Abgasen Giftgasarm, weil er mit Luftüberschuß im Gesamtgemisch arbeitet. Es wird eine sichere Zündung dabei dadurch erreicht, daß im Zündkerzenbereich fetteres Gemisch eingebracht wird.

Ein derartiger Motor soll dahingehend verbessert werden, daß im Abgas möglichst geringe Anteile von CO. CH und NOx vorhanden sind.

Bei Motoren mit Schichtladung ist zur einwandfreien Verbrennung ein Betrieb mit etwa 0,1 bis 0,3% CO im Abgas möglich. Bei einem solchen Betrieb sind jedoch die Stickoxydmengen (etwa 500 ppm) noch so hoch, daß zukünftige Abgasvorschriften nicht eingehalten werden können. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird daher, weil es einfacher ist, Anteile von CO und CH durch Nachverbrennung in der Auspuffanlage zu beseitigen, als NOx zu reduzieren, dadurch gelöst, daß die Gemischbildung so gesteuert ist, daß im Abgas mehr CO- und CH-Anteile enthalten sind (etwa 0,5 bis 1% CO), die in einem Nachbrenner eines Auspuffsystems ohne Lufteinblasung oxydiert werden. Es werden somit mehr CO- und CH-Anteile in Kauf genommen, die dann in dem Nachbrenner ohne Lufteinblasung oxydiert werden können, um dort den Anteil an NOx niedrig zu halten.

Die Schichtladung wird optimal so eingestellt, daß an der Zündkerze ein Gemisch mit Kraftstoffüberschuß einwandfrei zündet. Außerhalb des Bereichs der Zündkerze soll sich Brennluft bzw. ein abgemagertes Gemisch befinden, so daß das Gesamtgemisch Luftüberschuß mit mindestens 4% Sauerstoff im Abgas ha.tj eventuell außer bei Vollast oder kurz vor Erreichen der Vollast. In der Brennluft bzw. im abgemagerten Gemisch außerhalb des Bereichs der Zündkerze kann zur weiteren Senkung von NO 15% und mehr Abgas zugeführt werden.

Dadurch ist es möglich, in der Brennluft mindestens 12% Auspuffgas zu haben, ohne daß es zu Zünd- und Brennschwierigkeiten führt oder die Leistung herabgesetzt wird, wobei der Zusatz von Auspuffgas in der Nähe oder bei Vollast reduziert wird. Falls die Entgiftung noch nicht ausreicht, wird der Nachbrenner nachgeschaltet. Bei geringeren Giftgasanteilen genügt der Nachbrenner allein, sofern ihm ein Abgas mit Luftüberschuß zugeführt wird.

Der Nachbrenner arbeitet ohne zusätzliche Pumpe, was durch den höheren Sauerstoffanteil im Abgas ermöglicht wird. Er kann also sehr klein und kompakt ausgebildet sein.

Im Nachbrenner kann ein Steuerungsorgan vorgesehen sein, das die Abgase im unteren Drehzahl- und Lastbereich vollständig über einen Katalysator und bei Vollast etwa 10 bis 20% der Abgase über den Katalysator führt.

An der Ausgangsseite des Nachbrenners kann ein düsenartiges Ringsystem vorgesehen sein, das die beiden Ströme innig mischend zusammenführt. Dadurch wird eine weitere Nachverbrennung der durch den Hauptkanal gelangenden Abgase erzielt, die hinter dem dfeenartigen Ringsystem mit der anderen Strömung vermischt werden.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben.

Die Figur zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Zweitakt-Hubkolbenmotor nach der Erfindung.

Im Zylinder 1 befindet sich ein Kolben 2 mit Überströmkanälen 3. Über einen Auslaß 4 gehen die Abgase in den Auspuffkrümmer 5. Im Zylinderkopf 6 befindet sich eine Brennkammer 7 mit der Zündkerze 8 und einem Drehschiebereinlaß 9. Zwei Vergaser 10 und 11 ode<· ein Doppelvergaser beziehen ihre Brennluft aus dem Filter 12. Der Vergaser 10 bildet ein gut brennfähiges Gemisch vorzugsweise mit Kraftstoffüberschuß. Dieses Gemisch wird über eine ein- oder mehrstufige Turbine oder eine sonstige Fördereinrichtung 13 in die Sammdkammer 14 gedrückt. Von dort gelangt das Gasgemisch zeitlich gesteuert durch den Drehschieber 9 in die Brennkammer. Der Vergaser 11 bildet bei Leerlauf sowie im unteren Drehzahl- und Lastbereich reine Brennluft eventuell mit Abgasen gemischt. Erst im mittleren bis oberen Drehzahl- und Lastbereich bildet dieser Vergaser ein mageres Gemisch, was erst kurz vor Vollast so angereichert wird, daß eine gute Vollastleistung erreicht wird. Dieses Gemisch wird vom Motor über den Ansaugkanal 15. Ansaugkrümmer 16 und Einlaßkanal 17 angesaugt.

Die Auspuffgase gelangen nach dem Auspuffkrümmer 5 in einen Nachbrenner 18, ehe sie über einen Schalldämpfer ins Freie kommen.

Die Arbeitsweise der Maschine ist wie folgt:

Die Druck-Fördereinrichtung 13 saugt über den Vergaser 10 ein gut zündfähiges Gemisch, vorzugsweise mit Kraftstoffüberschuß an, während der Kolben 2 über den Vergaser 11 und die Zuführungen 15 bis 17 im unteren und mittleren Drehzahl- und Lastbereich reine Brennluft ansaugt. Diese Brennluft wird beim Ladewechsel über die Kanäle 3 in den Zylinder 1 gedrückt, und treibt dabei die verbrannten Gase über den Auslaß 4 aus dem Zylinder.

Nachdem der oder die Auslaßschlitze 4 und die Einlaßschlitze 3 sich unterhalb der Kolbenoberkante befinden, beginnt die Verdichtung. Es wird die Brennluft

nach oben in den Zylinderkopf gedrückt. Nach Beginn dieses Verdichtungsvorganges gibt der Drehschieber 9 den Durchgang frei, und das fettere Gemisch aus der Kammer 14 wird in die Brennkammer 7 gedrückt. So entsteht eine Mehrschicht-Ladung mit fetterem und gut zündfähigem Gemisch im Bereich der Kerze und magerem oder kraftstoffreiem Gemisch außerhalb dieses Bereichs.

Es können auch andere Systeme für die Gemischförderung eines Fettgemisches in den Zylinderkopf ange- ίο wand! werden, z. B. nach der DTPS IO 82 770.

Zur Gemischaufbereitung gehört, daß der Kraftstoff kondensat- und tropfenfrei in die Brennkammer kommt und mit der Brennluft homogen gemischt und vergast ist.

Bei der Erfindung wird das Gemisch vor Eintritt in die Sammelkammer 14 verdichtet und strömt mit hoher Geschwindigkeit in diese auf eine Prallplatte 26, die beheizt ist. Die so entstehende homogene fettere Mischung erlaubt einen einwandfreien Betrieb auch mit Kraftstoff niedriger Oktanzahl, ohne daß es dabei zu Selbstzündungen kommt Somit wird eine Verwendung von bleifreiem Benzin möglich.

Wie beim Dieselmotor sind auch hier infolge des Luftüberschusses sehr wenig CO und CH im Abgas. Trotzdem werden geringe Reste von CO und CH nicht zu vermeiden sein. Man kann die Brennkammerwandung nicht so heiß halten, daß kein CH ins Abgas kommt. Auch bei Beginn und Ende des Schubbetriebes treten Spitzen von CH auf.

Um die Steuerung der Gemischbildung nicht zu komplizieren und anfällig zu gestalten und die Rest-CH auf jeden Fall zu verbrennen, ist ein Nachbrenner vorgesehen. Da im Abgas des Motors nach der Erfindung nur noch Reste von brennbaren Bestandteilen sind, kann der Nachbrenner eine besonders kleine Ausführung haben. Infolge des Sauerstoffüberschusses im Abgas ist auch keine Pumpe notwendig.

Vorteilhaft ist ein Nachbrenner, der mittels Umlenkklappe 19 das Abgas des unteren Drehzahl- und Lastbereiches komplett über eine Nachbrennkammer 22 mit oder ohne Katalysator führt und der z. B. bis zu einer Geschwindigkeit von 60 km/h und darüber das Abgas nur noch teilweise über die Kammer 22 führt und einen immer größer werdenden Anteil direkt durch den Mitteldurchgang 25 strömen läßt. Bei Vollgas beträgt dieser Anteil dann etwa 85 bis 90% und es laufen nur noch etwa 10 bis 35% über den Katalysator.

Wenn man das in der Kammer 22 nachbrennende Abgas über eine konisch sich verengfinde Düse 23 so in den Hauptstrom des Abgases im Raum 24 zusammenführt, daß beide Gasströme sich innig mischen, so pflanzt sich die Nachbrennung im Hauptgasstrom fort. Auf diese Weise kann man mit einem Nachbrenner, der nur 10 bis 15% der Abgase zur Vollast erfaßt, das gesamte Abgas entgiften, obwohl der Nachbrenner etwa 80% kleiner ist als üblich und sehr wenig katalytisches Material braucht Dies geht jedoch nur bei Brennkraftmaschinen, die sehr wenig CO und CH im Abgas haben.

Infolge dieser geringen Baugröße kann man diesen Nachbrenner direkt an den Auspuffkrümmer 5 setzen und hat die notwendige Temperatur, die man zur schnellen Reaktion des Nachbrenners gleich nach dem Kaltstart des Motors benötigt

Es entstehen außerdem keine durch zu hohe Temperatur und schnellen Verbrauch des katalytischer! Materials verursachte Schwierigkeiten bei Halb- bis Vollast, da in diesem Bereich nur ein kleiner Prozentsatz an Abgas durch die Nachbrennkammer 22 hindurchgeht.

Der Nachbrenner mit besonderem katalytischem Material hat noch den Vorteil, daß er zusätzlich die Anteile an NOx im Abgas reduziert.

Bei Wahl eines Zweitaktmotors als Brennkraftmaschine ergibt sich insgesamt nicht nur eine sehr kompakte Bauweise, sondern es werden auch die beim Ladewechsel verbleibenden Restauspuffgase im neuen Gemisch für die Stockoxyde im Abgas reduziert. Die Mehrschichtladung erlaubt außerdem die zusätzliche Zuführung von Abgas in den Teil der Brennluft, die nicht im Bereich der Zündkerze liegt, womit eventuelle Zünd- und Brennschwierigkeiten vermieden werden.

; Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Zweitakt-Brennkraftmaschine mit Schichtladung, bei der das zündfähige fettere Gemisch in den Bereich der Zündkerze unter Druck eingeführt wird und die Zusammensetzung des Gesamtgemischs Luftüberschuß besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Gemischbildung so gesteuert ist, daß im Abgas mehr CO- und CH-Anteile enthal- »° ten sind (etwa 0,5 bis 1% CO), die in einem Nachbrenner eines Auspuffsystems ohne Lufteinblasung oxydiert werden.

2. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch

1, dadurch gekennzeichnet, daß im Nachbrenner ein Steuerorgan (19) vorgesehen ist, das die Abgase im unteren Drehzahl- und Lastbereich vollständig über einen Katalysator (22) und bei Vollast etwa 10 bis 20% der Abgase über den Katalysator führt.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Ausgangsseite des Nachbrenners ein düsenartiges Ringsystem vorgesehen ist, das die beiden Ströme innig mischend zusammenführt.