DE2306375A1

DE2306375A1 - Mit ladungsschichtung betriebene brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2306375A1
Application number: DE19732306375
Authority: DE
Inventors: Herbert Prof Dr Ing Heitland; Udo Dipl Ing Renger
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1973-02-09
Filing date: 1973-02-09
Publication date: 1974-08-15
Also published as: JPS49112008A

Description

VOLKSVJAGENWEEK Aktiengesellschaft

5180 Wolfsburg
Unsere Zeichen: K 1428
1702-Pt/We/Ti

β. 2. 73

Mit Ladungsschichtung betriebene Brennkraftmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine mit Ladungsschichtung betriebene Brennkraftmaschine mit einer dem Hauptbrennraum vorgeschalteten, das Einlaßventil und die Zündkerze enthaltenden Vorkammer, die über einen im Querschnitt verengten Verbindungskanal mit dem Hauptbrennraum verbunden ist, wobei die Ladungsschichtung durch Kraftstoffeinspritzung in das Saugrohr während der zweiten Hälfte des Ansaugtaktes erreicht wird.

!"rendgeatindete Brennkraftmaschinen, die mit geschichteter Ladung betrieben werden, sind schon seit vielen Jahren und in vielen Varianten bekannt. Der Grundgedanke bei allen Schichtladeverfahren bestand dabei darin, durch konstruktive Maßnahmen eine unterschiedliche Gemischausammensetzung der Zylinderladung im Brennraum zum Zündzeitpunkt zu ermöglichen, und zwar derart,
daß sich ir der Umgebung der Zündkerze immer ein zündfähiges,

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jedoch kraftstoffreiches Gemisch, befindet, während die Ladung im übrigen Brennraum auf die jeweils günstigsten Betriebsbedingungen des Motors abgestimmt ist rind aus einem mageren Gemisch oder sogar aus reiner Luft besteht. Während mit der Schichtladung bisher der Versuch unternommen wurde, eine zuverlässige Zündung der ZyIInderladung auch innerhalb weiterer Grenzen der Gesamtgemischzusammensetzung sicherzustellen und darüber hinaus das Betreiben von Ottomotoren mit höheren Verdichtungsverhältnissen ohne Erreichung der Klopfgrenze zu ermöglichen, \iird in den Schichtladeverfahren heute vor allem ein möglicher Weg zur Reduzierung der in den Abgasen der Brennkraftmaschine enthaltenen Schadstoffe, insbesondere der Stickoxyde, gesehen.

Es ist bekannt, daß die Stickoxydbildung bei Vorhandensein von freiem Sauerstoff erst oberhalb von 18oo C in stärkerem Ausmaß stattfindet. Weiterhin ist bekannt, daß sich die Verbrennungstemperaturen mit der Gemischzusammensetzung der Zylinderladung stark ändern. Die höchsten Verbrennungstemperaturen treten bei etwa stöchiometrischer Gemischzusammensetzung auf, die höchsten Stickoxydkonzentrationen bei etwa 10 ^ Luftüberschuß . Erst bei erheblich größerem Luftüberschuß werden alle drei Schadstoffe, Stickoxyd, Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxyd drastisch reduziert, vorausgesetzt, daß sich, noch eine stabile Verbrennung verwirklichen läßt.

Aus diesen Erkenntnissen kann auf einen emissionsarmen Idealprozeß für die motorische Verbrennung geschlossen werden, der jedoch nur durch eine wirksame Steuerung des Verbrennungsablaufes in einem entsprechend gestalteten Brennraum realisiert werden kann. Dieser vom Gesichtspunkt der Schadstoffbildung ideale Verbrennungsprozeß ist in den in ö.en Figuren 1 und 2 gezeigten Diagrammen, nämlich einem (T-t~) Temperatur-Zeit- bzw. einem Druck-Volumen- (p-v-) Diagramm, im Vergleich, zu dem bei den heute üblichen Verbrennungsmotoren ablaufenden Verbrennungsprozeß

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darstellt. Bei dem mit ausgezogenen Linien gezeigten Verbrennung sverlauf der heute meist üblichen Brennkraftmaschinen tritt in dem schraffierten Bereich die Stickoxydbildung ein,
während der mit gebrochenen Linien angedeutete ideale Verbrennungsablauf unterhalb der Stickoxydbildungsgrenze bleibt.

Bei den mit Ladungsschichtung betriebenen Brennkraftmaschinen wird nun dieser ideale Verbrennungsablauf dadurch angenähert, daß die Verbrennung verzögert abläuft, indem in dem Brennraum zunächst ein erster Ladungsteil mit kraftstoffreicher Gemischzusammensetzung und anschließend die restliche, je nach Last
kraftstoffarme Zylinderladung verbrannt wird.

Bei einer bekannten, mit Ladungsschichtung arbeitenden Brennkraftmaschine ist der Brennraum in zwei Teilräume unterteilt, die beim Viertaktmotor am Einlaßventil bzw. am Auslaßventil
liegen. Diese beiden Teilräume sind durch einen im Querschnitt verengten Kanal miteinander verbunden und die Zündkerze ist
in dem das Einlaßventil aufweisenden Einlaßteil angeordnet. Die Gemischanreicherung s,n der Zündkerze wird bei der bekannten
Brennkraftmaschine durch eine Kraftstoffzuführung in das Ansaugrohr erreicht, die frühestens in der zweiten Hälfte des Ansaugtaktes beginnt und etwa gegen Ende des Ansaugtaktes abgeschlossen ist. Dadurch wird eine Ladungsschichtung in dem Brennraum erreicht, bei der sich gegen Ende des Verdichtungstaktes in dem Hauptbrennraum vornehmlich Luft oder ein sehr mageres Kraftstoff-Luftgemisch befindet, da durch die verhältnismäßig spät im Ansaugtakt erfolge nie Kraftstoffeinspritzung der fettere Ladungsteil gar nicht mehr in den Hauptbrennraum gelangt, sondern in dem vorkammerartig abgeteilten Einlaßteil verbleibt und dort
verdichtet wird.

Der Vorteil dieses bekannten Verfahrens gegenüber den bisher
üblichen Schichtladungsverfahren besteht darin, daß trotz Verzicht auf eine aufwendige Hochdruckeinspritzung des Kraftstoffes

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direkt in den Brennraum nur ein einziges Einlaßventil erforderlich ist. Die Gemischauf "bereitung kann bei diesem Verfahren nahezu während des gesamten Kompressionstaktes stattfinden. Ein Nachteil dieser bekannten Brennkraftmaschine besteht darin* daß zur Aufrechterhaltung einer günstigen Gemischaufbereitung das mit der verhältnismäßig kühlen Frischluft beaufschlagte Einlaßteil durch besondere Maßnahmen, beispielsweise durch eine Abgasvorbeiführung, vorgewärmt werden muß.

Ausgehend von dieser Ausführung einer mit Ladungsschichtung betriebenen Brennkraftmaschine ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe darin zu sehen, eine für eine günsüge Gemischaufbereitung vorteilhafte Aufwärmung des Einlaßbereiches ohne die komplizierte Anordnung zusätzlicher Abga,sführungskanäle in dem Zylindergehäuse sicherzustellen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung dadurch, daß in der da.s Einlaßventil enthaltenden Vorkammer auch das Auslaßventil angeordnet ist. Durch Anordnung des von höheren Temperaturen beaufschlagten Auslaßventils im Bereich des Einlaßventils wird nun auf einfache Weise und ohne zusätzliche, die Gehäusekonstruktion erschwerende Maßnahmen eine ausreichende Aufwärmung des Einlaßbereiches der Brennkraftmaschine erreicht, injiem im wesentlichen die Gemischaufbereitung während des Kompressionstaktes stattfindet. Dabei kann das Auslaßventil seitlich neben dem Einlaßventil, und zwar vorzugsweise zwischen dem Einlaßventil und dem Hauptbrennraum, angeordnet sein.

Uach einer anderen Ausführungsform der Erfindung soll das Auslaßventil an der dem Einlaßventil in Achsrichtung gegenüberliegenden Wand der Vorkammer angeordnet sein, wobei sich eine koaxiale Anordnung von Einlaß- und Auslaßventil a.ls besonders vorteilhaft erweist. Dabei können die VentilSchäfte entweder in entgegengesetzter Richtung oder aber in gleicher Richtung ver-

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laufenj wobei in letzterem !"all der Ventilschaft des einen Ventils in dem Ventilschaft des anderen Ventils geführt ist.

Schließlich besteht ein weiteres Merkmal der Erfindung darin, daß·eine seitliche Begrenzungswand des Verbindungskanals tangential sowohl in den Hauptbrennraum als auch in die Vorkammer einläuft. Dadurch wird gegenüber der Ausführung bei der bekannten Brennkraftmaschine, bei der der Verbindungskanal zwischen den beiden Teilbrennräumen symmetrisch zu seiner Mittelachse eingeschnürt ist, eine die Gemischaufbereitung verbessernde Ladungsbewegung erzielt. Durch die tangential e Anordnung des Verbindungskanals wird nämlich während des Verdichtungstaktes beim Überschieben der Ladung von dem Hauptbrennraum in die Vorkammer eine wirbelartige Ladungsbewegung in der Vorkammer erzeugt, welche zu einer besseren Gemischaufbereitung und Homogenisierung dieses Ladungsteiles beiträgt und die beim Ausschieben der verbrannten Ladung durch die besser verwirbelte Strömung die Restverbrennung der Kohlenwasserstoffe noch innerhalb des ArbeitsZylinders bewirkt. Darüber hinaus entsteht durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Verbindungskanals auch in dem Hauptbrennraum während des Ansaughiibes des Arbeitskolbens eine drehende Ladungsbewegung, die noch während des Verdichtungsund Arbeitstaktes andauert. Bei dem in der Vorkammer beginnenden Abbrennen der Ladung werden die verbrennenden Ladungsteile in den Hauptbrennraum hinausgeschleudert und bewegen sich dabei in der gleichen Drehrichtung wie die noch unverbrannte Ladung. Hierdurch wird ein geordnetes Abbrennen der gesamten Ladung erreicht, wobei auch die zylindernahen Randzonen mit deren Restkohlenwasserstoffen durch Aufrechterhalten von Grenzschichtturbulenzen gut mit erfaßt werden können.

Weitere Vorteile und die wesentlichen Merkmale der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung enthalten, die die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen in schematischer Darstellungsweise

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Figur 1 in einem T-t-Diagramm den Verlauf der Verbrennung bei einer üblichen Brennkraftmaschine im Vergleich zu der im Hinblick auf die Schadstoffemission idealen Verbrennungskraftmaschine,

Figur 2 die Verbrennungsverläufe in einem p-v-Diagramm,

Figur 5 einen Längsschnitt durch den Brennraum einer mit Ladungsschichtung arbeitenden erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, bei der das Einlaß- und Auslaßventil nebeneinanderliegend in der Vorkammer angeordnet sind,

Figur 4 eine schematische Draufsicht auf den Zylinderdeckel nach Figur 3»

Figur 5 einen Längsschnitt durch den Brennraum einer anderen Ausführungsform der Brennkraftmaschine, bei der die Ventile einander gegenüberliegend in der Vorkammer angeordnet sind,

Figur 6 eine Draufsicht auf den Zylinderdeckel der Ausbildung nach Figur 5 und

Figur 7 einen Längsschnitt durch einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, bei dem die Ventilschäfte der beiden Ventile koaxial ineinander geführt sind.

In den Figuren 5 his 7 ö-^er Zeichnung sind für gleiche Positionen gleiche Ziffern verwendet, wobei jedoch die unterschiedliche Aus bildung oder Anordnung der Bauteile durch den Ziffern nachgesetzte Striche angedeutet ist. So ist in den Figuren 3, 5 und-1 ein in einem Zylinder 2 laufender Kolben bezeichnet, der in seinem oberen Totpunkt einen im wesentlichen im Zylinderkopf 3 liegenden Brennraum 4 W-S 6 begrenzt. Dieser Brennraum ist in

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einen Haupfbrennraum 4 und eine dem Hauptbrennraum vorgeschaltete Vorkammer 5 unterteilt, die über einen im Querschnitt verengten Verbindungskanal 6 mit dem Hauptbrennraum 4 in Verbindung steht. Der Verbindungskanal 6 T/eist seitliche Begrenzungswände 7 und 8 auf, von denen die eine Begrenzungswand 7 tangential sowohl in den Iza. Querschnitt kreisförmigen Hauptbrennraum 4 als auch in die gemäß der Figur 4 etwa oval ausgebildete Vorkammer 5 einläuft. In der Vorkammer 5 sind, wie die Figur 4 näher zeigt, das Einlaßventil 9 und das Auslaßventil I3 parallel nebeneinanderliegend angeordnet. Auch eine Zündkerze 12 mündet mit ihren Elektroden in diese Vorkammer 5· Eine Einspritzdüse 11 zur Zuführung von Kraftstoff ist in dem von dem Einlaßventil 9 verschließbaren Saugrohr 10 angeordnet.

Bei einer mit einer derartigen Brennraumausgestaltung versehenen Brennkraftmaschine erfolgt eine Ladungsschichtung dadurch, daß erst gegen Ende des Ansaugtaktes mit Hilfe der in dem Saugrohr 10 angeordneten Einspritzdüse 11 Kraftstoff in die angesaugte Luft eingespritzt wird. Da dieses erst am Ende des Ansaugtaktes entstehende Kraftstoff-Luft-Gemisch nicht mehr in den Hauptbrennraum 4 gelangt, sondern in der etwa 30 fo des Volumens des Gesamtbrennraumes enthaltenden Vorkammer 5 verbleibt, befindet sich in dieser Vorkammer ein sehr kraftstoffreiches und daher gut zündfähiges Gemisch, während in dem Hauptbrennraum 4 ei*¹ sehr mageres Gemisch oder sogar nur reine Luft vorhanden ist. Bei diesem Verfahren kann eine Leistungsregelung einer derartigen Brennkraftmaschine mit einer beliebigen Anzahl von Zylindern allein durch Mengenregelung des Kraftstoffes, also durch eine Gemischregelung, erreicht werden, indem die Zeitdauer der Kraftstoffzufuhr variiert und insbesondere über das Ende des Saugtaktes hinaus ausgedehnt wird. Dadurch wird eine bestimmte Kraftstoffmenge vor dem Einlaßventil angelagert, die im nachfolgenden Saugtakt ein homogenes Grundgemisch im Hauptbrennraum bildet.

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Bei der' Ausführung nach den Figuren J> und 4 sind nun die beiden Ventile, nämlich das Einlaßventil 9 und das Auslaßventil 13 als hängende. Ventile nebeneinanderliegend in der Vorkammer 5 angeordnet. Dabei ergibt sich eine im Querschnitt etwa oval oder ellipsenfb'rmig ausgebildete Vorkammer 5> und die Anordnung der Ventile ist so getroffen, daß das Auslaßventil 13 zwischen dem Einlaßventil 9 und dem Hauptbrennraum 4 liegt. Es wäre aber auch denkbar, das Einlaßventil zwischen dem Auslaßventil und dem Hauptbrennraum anzuordnen, wobei Unterschiede zu der in Figur 4 gezeigten Anordnung im Durchbrennverlauf der Zylinderladung sowie in der Wärmebeanspruchung der Motorbauteile zu sehen wären.

Wesentlich für eine günstige Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist auch die Ausbildung des Verbindungskanals 6 zwischen der Vorkammer 5 und dem Hauptbrennraum 4· Dadurch, daß gemäß der Erfindung die eine seitliche Begrenzungswand 7 des Verbindungskanals 6 tangential sowohl in den Hauptbrennraum 4 als auch in die Vorkammer 5 einläuft, wird eine für die Gemischaufbereitung und den Verbrennungsablauf günstige wirbeiförmige Ladungsbewegung in den beiden Teilbrennräumen erzielt.

In den Figuren 5 und 6 der Zeichnung ist eine Ausbildung des Brennraumes gezeigt, die pich gegenüber der der Figuren 3 und 4 dadurch unterscheidet, daß die beiden Ventile 9* und 13' koaxial einandergegenüberliegend angeordnet sind» Dadurch ergibt sich eine im Querschnitt kreisförmige Vorkammer 5'» die über einen tangentialen Verbindungskanal 6' mit dem Hauptbrennraum 4 in Verbindung steht. In der Ausführungsform nach Figur 5 ist der Einlaß- oder Saugkanal 10', in den die Einspritzdüse 11' hineinreicht, im Zylinderkopf 3^! vorgesehen, liährend der von dem Auslaßventil 13' gesteuerte Auslaßkanal 14' im Motorgehäuse 2" liegt.. Es ist jedoch auch möglich, die Anordnung der Ventile bzw. der Einlaß- und Auslaßkanäle umgekehrt zu treffen.

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In der Figur 7 ist schließlich eine Ausbildung gezeigt, die sich im Grundriß von der der Figur 6 nicht unterscheidet. Dabei ist gegenüber der Ausführung nach der Figur 5 allein die Führung der Ventilschäfte geändert, indem beide Yentile 9'! und 15'' als hängende Ventile ausgeführt sind. Dabei ist der Ventilschaft 15'' des Einlaßventils 9'¹ in einer zentralen Bohrung 17'' des Ventilschaftes 16'' des Auslaßventils 13'' geführt, wobei Dichtungen 18·' zur Abdichtung der Durchführung vorgesehen sind.

Die in der Zeichnung gezeigteiiAusführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine stimmen trotz gewisser konstruktiver Unterschiede alle darin überein, daß beide Ventile, also neben dem Einlaßventil auch das Auslaßventil in der dem Hauptbrennraum vorgeschalteten Vorkammer angeordnet sind. Dadurch wird auf einfache Weise erreicht, daß der für die Gemischaufbereitung besonders wichtige Einlaßbereich durch den von höheren Temperaturen beaufschlagten Auslaßbereich aufgewärmt wird, so daß zusätzliche Maßnahmen zur Vorwärmung des Einlaßbereichs nicht mehr erforderlich sind. Durch die tangentiale Ausbildung des Verbindungskanals zwischen den beiden Brennraumteilen entsteht eine Wirbelbewegung der Ladung in den beiden Brennräumen, wodurch ebenfalls die Gemisiiaufbereitung und darüber hinaus der Verbrennungsablauf verbessert werden. Insgesamt gesehen steht damit eine Brennkraftmaschine zur Verfügung, die in besonders günstiger Weise im Schichtladebetrieb und mit verhältnismäßig geringer Schadstoffemission arbeitet.

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Claims

Ansprüche

ί1 ΛMit Ladungsschichtung betriebene Brennkraftmaschine mit einer dem Hauptbrennraum vorgeschalteten, das Einlaßventil und die Zündkerze enthaltenden Vorkammer, die über einen im Querschnitt verengten Terbindungskaaal mit dem Hauptbrennraum verbunden ist, wobei die Ladungsschichtung durch Kraftstoffeinspritzung in das Saugrohr während der zweiten Hälfte des Ansaugtaktes erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der Torkammer(5) aueh das Auslaßventil (13) angeordnet ist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet, daß das Auslaßventil (13) seitlich neben dem Einlaßventil (9) angeordnet ist.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch, gekennzeichnet^ daß das Auslaßventil (13) zwischen, dem Einlaßventil (9) und dem Hauptbrennraum (4) angeordnet ist.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslaßventil (13¹) ^a;o· der dem Einlaßventil (9¹) in. Achsrichtung gegenüberliegenden Wand der Vorkammer (5¹) angeordnet ist.
5· Brennkraftmaschine nach Anspruch 4» dadurch, gekennzeichnet, daß das Einlaßventil (9^r) und das Auslaßventil "(13') koaxial angeordnet sind.

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6. Brennkraftmaschine, nach den Ansprüchen 4 oder 5> dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilschäfte (15^T» 16') entgegen gesetzt gerichtet sind.
7· Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 4 und 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilschäfte (15^!I» 16'·') in der gleichen Richtung verlaufen und daß der Ventilschaft des einen Ventils in dem Ventilschaft des anderen Ventils geführt ist.
8. Brennkraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine seitliche Begrenzungswand (7) des VerMndungskanals (6) tangential sowohl in den Hauptbrennraum (4) als auch in die Vorkammer (5) einläuft.

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