DE2307284A1

DE2307284A1 - Viertakt-brennkraftmaschine mit fremdzuendung

Info

Publication number: DE2307284A1
Application number: DE19732307284
Authority: DE
Inventors: Francois Lagarde
Original assignee: Compagnie Francaise de Raffinage SA
Current assignee: Compagnie Francaise de Raffinage SA
Priority date: 1972-02-15
Filing date: 1973-02-14
Publication date: 1973-08-23
Also published as: BE795411A; DE2307284B2; DE2307284C3; JPS4892708A; NL7301643A; CA967096A; US3866582A; SE391777B; FR2172505A5; JPS5026681B2; GB1417326A; IT978631B; NL158257B

Description

COMPAGNIE FRANGAISE DE EAFFINAGE ösAr, Paris, Frankreich

Viertaktbrennkraftmaschine mit Fremdzündung

Bekanntlich liegen der durch Automobilabgase verursachten Verschmutzung der Atmosphäre im wesentlichen einerseits unvollständig verbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenoxyde und andererseits Stickoxyde zu Grunde. Die unvollständig verbrannten Kohlenwasserstoffe und Kohlenoxyde emittieren, wenn zu fette Kraftstoff /Luft-Gemische benützt werden, wohingegen die Erzeugung von Stickoxyden hauptsächlich durch eine zu hohe Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine verursacht wird.

Der Anreicherungsgrad R eines Kraftstoff /Luft-Gemisches wird im allgemeinen durch folgende Beziehung definiert:

(^Pc/Pa)f

Dabei bedeuten |f|)_f das Kraftstoff/Luft-Gewichtsverhältnis bei Betriebsbedingungen und lp~J _s das stöchiometrische
Kraftstoff/Luft-Gewichtsverhältnis. Liegt also der Kraftstoff im Überschuß (Unterschuß) vor, dann ist der Anreiche-

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rungsgrad größer 1 (kleiner 1).

Für-einen befriedigenden Betrieb der Brennkraftmaschine wird im allgemeinen ein Gesamtanreicherungsgrad von etwa 1,15 bei Vollast gewählt. Bei diesem Wert wird., nachteiligerweise ein beträchtlich mit Kohlenmonoxyd und unvollständig verbrannten Kohlenwasserstoffen verunreinigtes Abgas in die Atmosphäre abgegeben. Eine erhebliche Verringerung des Gesamtanreicherungsgrades des Kraftstoff /Luft-Gemisches ist deshalb nicht möglich, da wegen der Heterogenität des Gemisches der Anreicherungsgrad dann, in bestimmten Zylinderbereichen unter den eine mittlere Verbrennungsgrenze des Kraftstoffes darstellenden Wert von 0,55 absinkt. Treten in der Nähe der Zündkerze solche Bereiche auf, verhindern sie das Fortschreiten der Verbrennung im Verbrennungsraum· Tatsächlich wird bei konventionellen Motoren ein Anreicherungsgrad von 0,85 nicht unterschritten.

Es sind mehrere Methoden zur Verringerung der Luft— _: Verschmutzung durch Motorabgase bekannt. Beispielsweise kann durch Verwendung sehr fetter Gemische der Stickstoffoxydgehalt vermindert werden, wobei katalytisch oder thermisch arbeitende Fachverbrennungsvorrichtungen den Gehalt an Kohlenmonoxyd und unvollständig verbrannten Kohlenwasserstoffen reduzieren. Diese Lösung ist jedoch teuer, weil der Weg der entweichenden Verbrennungsgase kompliziert zu gestalten ist. Weiterhin ist wegen der Verwendung fetter Gemische nachteiligerweise der Kraftstoffverbrauch erhöht.

Es ist außerdem bekannt, die Verschmutzung der Umwelt durch unvollständig verbrannte Kohlenwasserstoffe durch Verwendung magerer Gemische zu vermindern. Dabei ist, wie bereits erwähnt, eine erhebliche Heterogenität der Zy-

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linderfüllung gegeben. Ferner ist bekannt, um diesen Nachteil zu. umgehen, Motoren heterogen geordnete Kraftstoff/ Luft-Gemische einzugeben. Um eine Zündung durch die Zündkerze zu erreichen, wird das Kraft stoff/Luft-Gemisch so eingebracht, daß sich Zonen mit abnehmenden Kraftstoffgradienten ergeben, also der Anreicherungsgrad in Umgebung der Zündkerze groß und mit abnehmendem Abstand davon bis auf nicht unter 0,55 abnimmt. Es sind auf diesem Prinzip beruhende Motoren bekannt, bei denen das Kraftstoff/Luft-Gemisch im Innern der Zylinder, also in situ, hergestellt wird. ITm ein in der Nähe der Zündkerze fettes Gemisch zu. erhalten, wird der Kraftstoff direkt in Richtung auf die Zündkerze eingespritzt. Durch die Geometrie des jeweiligen Zylinders und die Wirbelbewegung des Gemisches im Zylinder wird die erwähnte Schichtung oder Verteilung erzeugt. Bei Motoren dieser Art hat es sich jedoch als schwierig erwiesen, ein exaktes Zusammenspiel zwischen Kraftstoffeinspritzung, Verteilung des zerstäubten Kraftstoffes und Wirbelbewegung der Gase zu erhalten. Darüber hinaus ist die direkte Kraftstoffeinspritzung unwirtschaftlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, diese Nachteile zu beheben. Dies ist mit einer Viertakt-Brennkraftmaschine mit Fremdzündung erreicht, weiche erfindungsgemäß gekennzeichnet ist durch mindestens ein Zylinderpaar mit kommunizierenden Verbrennungsräumen, einem gemeinsamen Auslaßventil, einem Einlaßventil für ein erstes Kraftstoff/ Luft-Gemisch und ein weiteres Einlaßventil für Luft oder ein zweites, ärmeres Kraftstoff/Luft-Gemisch, wobei die Einlaßventile so angeordnet sind, daß das erste Gemisch in den einen Zylinder und die Luft bzw. das zweite Gemisch in den anderen Zylinder gelangen, wobei ferner die Zündkerze über der Bahn des ersten in den zugehörigen Zylinder strö-

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menden Gemisches angebracht ist, und wobei schließlich der Kolben des mit Luft oder dem zweiten Gemisch beaufschlagten Zylinders gegenüber dem anderen Kolben mit einer bestimmten Phasenverschiebung nachläuft.

Der erfindungsgemäße Motor wird also mit einem im Ganzen mageren Kraftstoff/Luft-Gemisch betrieben, z. B. bei Vollast mit einem Gemisch mit einem Gesamtanreicherungsgrad von 0,7- Als Gesamtanreicherungsgrad wird der mittlere' Anreicherungsgrad von zwei zusammenwirkenden Zylindern bezeichnet. Die Größe des Anreicherungsgrades der den beiden Zylindern zugeführten Gemische ist von dem festgelegten Gesamtanreicherungsgrad abhängig, d. h» bei vorgegebenem Gesamtanreicherungsgrad ist es möglich, die Anreicherungsgrade der beiden Gemische in mehr oder weniger weiten Grenzen schwanken zu lassen. Beträgt beispielsweise der Gesamtanrei-■ cherungsgrad bei Vollast 0,7, so kann sich der Anreicherungsgrad χ des ersten Gemisches zwischen 1,4 und 0,85 und der Gehalt £ des zweiten Gemisches zwischen 0 und 0,55 bewegen, wobei χ + y * 0,7 beträgt.

Bei dem erfindungsgemäßen Motor ist es insbesondere möglich, dem einen Zylinder Luft zuzuführen. Diese Möglichkeit wird nachstehend im einzelnen beschrieben.

Danach wird einem Zylinder das Kraftstoff/Luft-Gemisch und dem zweiten Zylinder Luft zugeführt. Es bildet sich ein Konzentrationsgradient des Kraftstoffes aus, der vom ersten Zylinder zum zweiten hin abnimmt. Durch eine Phasenverschiebung der Bewegungen der beiden den Zylindern zugeordneten Kolben erreicht der Kolben des ersten Zylinders zuerst seinen oberen Totpunkt. Die Zündkerze befindet sich damit in einer kraftstoffreichen Umgebung. Während der Ver-

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brennung erreicht der Kolben des zweiten Zylinders seinen oberen !Totpunkt, wobei die mittels der üiriebflache in den ersten Zylinder geschobene Luft eine Verdünnung des Kraftstoff/Luft-Gemisches hervorruft. Die Verbrennung, die in einem fetten Gemisch beginnt, endet damit in einem mageren. Der nach dem Beginn der Verbrennung hervorgerufene Luftüberschuß führt einerseits zur Verbrennung der Kohlenwasserstoffe und des Kohlenmonoxyds und erniedrigt andererseits die Verbrennungstemperatur, wodurch die Entstehung von Stickstof foxyden zurückgedrängt wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Ansprüchen 2 bis 5 zu entnehmen.

Im nachstehenden ist eine Ausführungsform an Hand der Zeichnung beispielsweise beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 bis 6 Jeweils einen Längsschnitt durch ein Paar zusammengehöriger Zylinder einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, und zwar beim Ansaugen, Verdichten, Zünden und Verbrennen der Kraftstoff/ Luft-Püllung bzw. beim Arbeiten und Ausschieben der Abgase (Fig. 5 bzw. 6).

Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine handelt es sich um einen Viertaktmotor mit gerader Zylinderzahl, die paarweise zusammenwirken. Der Deutlichkeit halber sind nur zwei zusammenwirkende Zylinder gezeigt.

Die Brennkraftmaschine weist einen Zylinderblock 1 und einen damit verbundenen Zylinderkopf 2 auf. Der Zylinderblock 1 und der Zylinderkopf 2 sind mit Hohlräumen 3 versehen, in denen sich Kühlflüssigkeit 4 befindet. Im Zy-

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linderblock 1 sind zwei durch eine Wand 7 zwischen den Zylinderbohrungen getrennte Zylinder 5 und 6 angeordnet, in denen Kolben 8 und 9 verschiebbar sind. Durch die Kurbelwelle ist die Bewegung des Kolbens 9 gegenüber dem Kolben 8 um 25 phasenverzögert, d. h. Kolben 8 erreicht seinen oberen Totpunkt kurz vor Kolben 9 (Fig· 3)· .

Im Inneren des Zylinderkopfes 2 befindet sich ein Verbrennungsraum 10, welcher hauptsächlich dem Zylinder 5 gegenüberliegt, ferner oberhalb des Zylinders 6 eine Treibfläche 11. Die Treibfläche 11 ist so ausgebildet, daß sie am oberen Totpunkt des Kolbens 9 fast an dessen Stirnfläche anliegt, wobei zwischen ihr und der Wand 7 ein Durchlaß 13 zwischen den freien Räumen '14- und 15 der Zylinder 5 und 6 besteht. .

Oberhalb des Zylinders 5 befindet sich im Zylinderkopf 2 ein mit einem Vergaser verbundener, durch ein Ventil 17 gesteuerter Einlaßkanal 16, oberhalb des Zylinders 6 ein mit der Außenluft in Verbindung stehender, durch ein Ventil 19 gesteuerter Luftkanal 18. Der Luftkanal 18 bzw. der Einlaßkanal 16. für das Kraftstoff/Luft-Gemisch münden in den Verbrennungsraum 10 über einen gekrümmten Abschnitt 21 bzw. 20, der so gerichtet ist, daß das einströmende Vergasergemisch bzw. die Luft sich nur unwesentlich im Zylinder 5 bzw» 6 miteinander vermischen. Den Zylindern 5 und 6 sind ein gemeinsames Auslaßventil 22 und eine Zündkerze 23 zugeordnet« Letztere ist im Verbrennungsraum 10 oberhalb des Zylinders 5 und der Bahn des Kraft stoff/Luft-Gemisches zwischen den Zylindern 5 und 6 angebracht.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine arbeitet folgendermaßen. Beim Ansaugen gemäß Fig. 1 bewegen sich KoI-

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ben 8 und 9 nach unten land die Einlaßventile 17 sowie 19 öffnen sich, so daß Kraftstoff/Luft-Gemisch und Luft einströmen können. Das Vergasergemisch weist beispielsweise einen Anreicherungsgrad von etwa 1,3 auf. Durch die Geometrie der gekrümmten Abschnitte 20 und 21 bleiben das Kraftstoff/Luft-Gemisch und die Luft nahezu unvermischt und strömen in Richtung der Pfeile J* bzw. Fp dem Zylinder 5 bzw. 6 zu.

Beim Verdichten laufen nach Fig. 2 die Kolben 8 und 9 bei geschlossenen Ventilen 17 und 19 aufwärts. Kolben 8 ist gegenüber Kolben 9 vorlaufend phasenverschoben, so daß ein geringer Teil des Vergasergemisches, wie durch Pfeil 3?;, angedeutet, den Zylinder 6 erreicht. Der Anreiche rungsgrad beträgt während des Verdicht ens im Zylinder 5 6 jeweils 1,30- £. bzw.

Nach Fig. 3 wird die Verbrennung bei Annäherung des Kolbens 8 an seinen oberen Totpunkt ausgelöst. Der Zündfunke der Zündkerze 23 bewirkt, daß die Flamme durch den freien Eaum 14· und den Verbrennungsraum 10 fortschreitet.

Venn während der Verbrennung der Kolben 8 seine Abwärtsbewegung beginnt, erreicht der Kolben 9 seinen oberen Totpunkt, wobei er die Treibfläche 11 praktisch berührt und das Luftpolster mit dem Anreicherungsgrad £ in Eichtung. des Pfeiles F₂, in den Verbrennungsraum 10 drängt, wie aus Fig. 4 ersichtlich. Der verhältnismäßig hohe Anreicherungsgrad im Zylinder 5 wird damit am Ende der Verbrennung zunehmend verringert, und zwar bis auf einen niedrigen Wert von beispielsweise etwa 0,7· Das Zünden hat somit in einem fetten, die Verbrennung in einem mageren Gemisch stattgefunden.

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Gemäß Iig. 5 treibt der Druck der Verbrennungsgase "beim Arbeitshub beide Kolben 5 und 6 gleichzeitig abwärts. ·

Beim Ausschieben nach Fig. 6 drängen die aufwärtslaufenden Kolben 8 und 9 die Abgase durch das geöffnete Auslaßventil 22.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine emittiert ' ein an unvollständig verbrannten Kohlenwasserstoffen, Kohlenoxyden und Stickstoffoxyden armes Abgas und eignet sich wegen dieses umweltfreundlichen Charakters zur Ausrüstung von Automobilen.

Unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten besitzt die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine insbesondere folgende Vorteile: _

1. Die geringere Anzahl der Ventile und Zündkerzen je Zylinderpaar senkt die Herstellungskosten gegenüber konventionellen Brennkraftmaschinen.

2. Der Kraftstoffverbrauch ist gegenüber einer konventionellen Brennkraftmaschine reduziert. Der Betrieb mit armem Kraftstoff/Luft-Gemisch führt zu einem Verbrauch, welcher zwischen demjenigen eines konventionellen Benzinmotors und demjenigen eines Dieselmotors liegt.

3· Die Kraftstoff /Luft-Gemischaufbereitung ist vereinfacht, da der Luftüberschuß am En.de der Verbrennung so ist, daß die Kohlenwasserstoff- und Kohlenoxydemission von etwaigen geringen Schwankungen des

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.Anreicherungsgrades nur wenig abhängt«

4. Die Oktanzahl des jeweils verwendeten Kraftstoffs ist von geringer Bedeutung.

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Claims

■Ansprüche

^^Viertaktbrennkraftmaschine mit Fremdzündung , gekennzeichnet durch mindestens ein Zylinderpaar (5» 6) nut kommunizierenden Verbrennungsräumen (10), einem gemeinsamen Auslaßventil (22), einem Einlaßventil (17) für ein erstes Kraftstoff/Luft-Gemisch und ein weiteres Ein-. laßventil (19) für Luft oder ein zweites, ärmeres Kraftstoff/Luft-Gemisch, wobei die Einlaßventile (17 und 19) so angeordnet sind, daß das erste Gemisch in den einen Zylinder (5) und die Luft bzw. das zweite Gemisch in den anderen Zylinder (6) gelangen, wobei ferner die Zündkerze (23) über der Bahn des ersten in den zugehörigen Zylinder (5>) strömenden Gemisches angebracht ist, und wobei schließlich der Kolben (9) des mit Luft oder dem zweiten Gemisch beaufschlagten Zylinders (6) gegenüber dem anderen Kolben (8) mit einer bestimmten Phasenverschiebung nachläuft.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Zylinderblock (1) mit mindestens zwei durch eine Wand (7) getrennte Zylinder (5 und 6) und einen den Block (1) dicht abschließenden Zylinderkopf (2), wobei die Verbrennungsräume (10) der beiden Zylinder (5 und 6) oberhalb der Wand (7) miteinander in Verbindung stehen, und wobei der Zylinderkopf (2) oberhalb Jedes der beiden Zylinder (5 und 6) Jeweils einen in Eichtung auf den zugehörigen Zylinder (5 bzw. 6) mündenden, von einem der beiden Einlaßventile (17 bzw. 19) überwachten Einlaßkanal (16 bzw. 18) für das erste Gemisch bzw. die Luft oder das zweite Gemisch aufweist.

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3. Brennkraftmaschine nach .Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkopf (2) oberhalb des mit Luft bzw. dem zweiten Gemisch beaufschlagten Zylinders (6) eine Treibfläche (11) aufweist, an welcher der Kolben (9) dieses Zylinders (6) in der oberen Totpunktstellung mit der Stirnfläche annähernd anliegt, wobei zwischen den beiden Verbrennungsräumen der Zylinder ein Durchlaß O5) gegeben ist, und zwar zwischen Treibfläche (11) und Wand (7).

4·. Brennkraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder (5 und 6) jedes Paares mit einem ersten Kraftstoff/Luft-Gemisch mit einem Anreicherungsgrad χ bzw. mit Luft oder einem zweiten Kraftstoff/Luft-Gemisch mit einem Anreicherungsgrad 2Γ beaufschlagbar sind, wobei χ ^ y und (x + y) etwa gleich dem gewünschten GesamtanreicherungsgraS ist.

5· Verbrennungsmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (8 und 9) sich mit einer gegenseitigen Phasenverschiebung von etwa 25° bewegen.

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