DE2308700A1

DE2308700A1 - Verfahren und vorrichtung zum verringern der tendenz eines verbrennungsmotors zum klopfen und zum verschmutzen der luft

Info

Publication number: DE2308700A1
Application number: DE19732308700
Authority: DE
Inventors: Georges Thery
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-02-23
Filing date: 1973-02-22
Publication date: 1973-08-30
Also published as: JPS4898204A; FR2178451A5

Description

; PATENTANWÄLTE

Dipl.-Ing. WERNER COHAUSZ · Dipl.-Ing. WlLHELM FLORACK - Dipl.-Ing. RUDOLF KNAUF

i 4 Düsseldorf, Sdiumannstraee 97 Z J U Q 7 O

Georges Thery

6, flace du Ge'nlral Leclerc

93380 Pierrefitte

Frankreich 16, Pebruar 1973

Verfahren und Vorrichtung zum Verringern der Tendenz eines Verbrennungsmotors zum Klopfen und zum Verschmutzen der Luft

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verringern der Tendenz eines Verbrennungsmotors zum Klopfen und zum Verschmutzen der Luft, insbesondere bei Motoren, die mit flüssigem Kraftstoff betrieben werden.

Es ist bekannt, daß das Klopfen von Motoren, die mit flüssigem Brennstoff betrieben werden auf einer unerwünschten Selbstentzündung des Brennstoffgemisches beruht. Diese Selbstentzündung erfolgt, weil die Selbstentzündungstemperatur des Gemisches erreicht wird, bevor die durch die Zündvorrichtung erzeugte Zündung Zeit hat, die Gesamtheit der Mischung zu erreichen. Um die Tendenz zum Klopfen zu verringern, kann man die Temperatur der Selbstentzündung des Gemisches erhöhen durch Neutralisierung der instabilen Komponenten, durch Verbesserung der Qualität des Kraftstoffes usw.

Diese bekannten chemischen Verfahren scheinen jedoch den Normenzuwider zu laufen, die seh]· enge Grenzen haben um eine Verschmutzung der Luft durch solche Verbrennungsmotoren einzuschränken. Insbesondere ist das als Antiklopfmittel bekannte

_{27 071} 309835 /0 5 3 U

C/Pei - 2 -

Blei zum Verschwinden verurteilt, weil es den Betrieb gewisser katalytischer Filter beeinträchtigt, die dazu bestimmt sind, die für die Verschmutzung der Luft insbesondere in Betracht kommenden Teile zurückzuhalten. Demgegenüber ist der Einfluß der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Wärme vernachlässigt worden. Diese Fortpflanzung erfolgt im wesentlichen durch Strahlung und ihre Geschwindigkeit ist sehr viel größer als die Geschwindigkeit der Flammenfront. Der noch nicht entzündete Teil des Gemisches erreicht daher unter dem Einfluß der vom bereits entzündeten Teil ausgehenden Strahlung sehr schnell seine Selbstentzündungstemperatur, so daß die Gefahr des Klopfens bisher beträchtlich bleibt, überdies hat man auch die Erhöhung der Verbrennungsgeschwindigkeit des gasförmigen Gemisches unbeachtet gelassen und Tan unterstützt gemäß der Funktionsart der Motoren eine mehr oder weniger unvollständige Verbrennung dieses Gemisches. Oiese unvollständige Verbrennung führt zu einer Emissien nicht verbrannter Kohlenwasserstoffe in die Atmosphäre, für die die Normen, die für den Kampf gegen die Luftverschmutzung vorgesehen sind, sehr enge Grenzen ziehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile, sowohl was das Klopfen als auch was die Luftverschmutzung angeht, zu verringern und zwar durch Beschleunigen der Verbrennungsgeschwindigkeit und durch Verringern des thermischen Austausches, die eine Temperaturerhöhung begünstigen, so daß die Selbstentzündung des Kraftstoffgasgei; isches von mit flüssigen Kraftstoffen betriebenen Motoren durch eine Kombination geeigneter Mittel verringert wird. Gemäß der Erfindung besteht das Verfahren zum Bestimmen der Entzündung des im Brennraum enthaltenen brennbaren Gemisches durch ein oder mehrere mit Organen <jes Motors aus einem Stück bestehende Teile durch die eine große Erhöhung der Temperatur im Bereich einer oder mehrerer Zonen, die mit dem Brennraum in Verbindung stehen, erzeugen können darin, daß zur Beschränkung des thermischen Strahlungs-

309835/0534 _ ₃ .

austausches ein Schirm eingeschaltet wird zwischen den einzelnen Teilen des Gemisches, die zunächst durch die aus jener Zone oder jenen Zonen stammenden Gase entzündet werden, und dem Rest des nichtentflammten Gemisches. Vorzugsweise bildet man den genannten Brennraum derart aus, daß die zunächst entzündeten Punkte des Gemisches denjenigen Punkten genähert werden, die davon am weitesten entfernt sind, um die Zeit der restlosen Verbrennung des Gemisches zu verkürzen.

Bei einer ersten Ausführungsform eines Motors zur Durchführung des vorgenannten erfinderischen Verfahrens, der wenigstens einen Zylinder besitzt, der in einem durch einen Zylinderkopf geschlossenen Zylinder läuft und eine Zündvorrichtung mit einer daran festen oder abnehmbaren Vorverbrennungskammer aufweist, die durch mindestens 2 öffnungen mit dem Brennraum in Verbindung steht, gemäß der Erfindung der Kolbenboden mit einem im wesentlichen konischen vorspringenden Teil versehen, der gegenüber der Vorverbrennungskammer eine Spitze aufweist, die Breite, in Achsrichtung verlaufende Rillen gegenüber den genannten Öffnungen aufweist und eine teilweise Unterteilung des Brennraums bildet.

In einer zweiten Ausführungsform besitzt der Motor wenigstens einen Zylinderkopf, der einen in dem Brennraum vorspringenden Teil aufweist, der an seinem Ende eine Vorverbrennungskammer besitzt, die mit einer Zündvorrichtung versehen ist und wenigstens 2 seitliche öffnungen aufweist, durch die er mit dem Brennraum in Verbindung steht.

Anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sind die Erfindung und zusätzliche Einzelheiten derselben sowie die Vorteile der Erfindung besser erkennbar.

-H-309835. 534

Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 schematisch einen Längsschnitt durch

eine erste Ausführungsform der Erfindung

Fig. 2 zeigt einen Schnitt nach Linie II-II der Fig. 1

Fig. 3 zeigt einen Schnitt nach Linie III-III der Fig. 1

Fig. 4 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform der Erfindung

Fig. 5 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform der Erfindung

Fig. 6 zeigt in ihrer einen Hälfte einen Schnitt nach.Linie VI-VI der Fig. 5 und zur anderen Hälfte eine Seitenansicht dieser Ausführungsform.

Fig. 7 zeigt perspektivisch eine vierte Ausführ ungsform.

Bei allen dargestellten Ausführungsformen ist ausgegangen von einem Motor, dessen Zylinder 1 einerseits durch einen Zylinderkopf 2, der die Ein- und Auslaßventile 3 und die Zündvorrichtung 4 trägt, sowie durch einen in Zylinder 1 beweglichen Kolben 5 geschlossen ist. Die Brennkammer 6 ist begrenzt durch den Zylinderkopf 2, den Zylinder 1 und den Kolben 5.

Bei der in Fig. 1 bis 3 dargestellten ersten Ausführungsform der Erfindung ist die Zündvorrichtung 4 mit einer Vorverbrennungskammer neu versehen, die mit ihr fest oder abnehmbar verbunden ist und vier Öffnungen besitzt durch die sie mit der Verbrennungskammer 6 in Verbindung steht. Der Kolbenboden 5 besitzt einen

309835/0534 " ⁵ "

vorspringenden Teil 7, dessen Querschnitt in Pig. 3 dargestellt ist. Dieser vorspringende Teil 7 besitzt entsprechend den öffnungen der Vorverbrennungskammer ¹I Aussparungen, die vier abgetrennte Teile der Verbrennungskammer bilden.

Bei der Anordnung nach Fig. Ί besitzt der Zylinderkopf zwei, einen im wesentlichen kegelstumpffwörmigen vorspringenden Teil 2a, der eine Zündvorrichtung 4 trägt, während der Kolben 5 in seinem oberen Totpunkt diesen Teil in Form eines Trichters bedeckt. In dieser Figur sind der Klarheit halber die Aus- und Einlaßventile nicht dargestellt. Der Kolben 5 und der Zylinderkopf 2 bestimmen daher den Brennraum 6. Die Zündvorrichtung 4 ist mit einer mit ihr aus einem Stück bestehenden Vorverbrennungskammer 10 versehen, die mit dem Brennraum 6 durch 2 öffnungen 11 und 12 in Verbindung steht.

Bei einem Motor von großem Zylinderinhalt kann ein Zylinderkopf mehrere Zündvorrichtungen 4 am Ende eines jeden vorspringenden Teiles 2a aufweisen, und der Kolben 5 kann dementsprechend so geformt sein, daß er Jeden dieser Vorsprünge trichterförmig umgibt.

Bei einer dritten in Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist die Zündvorrichtung ^ an der Seite des Brennraums vorgesehen, und der vorspringende Teil 7 einen Wulst gegenüber der Zündvorrichtung. Dieser Wulst umfaßt auch eine Aussparung 8, deren Ränder derart ausgebildet sind, daß sie die Ränder des Brennraums um die Zündvorrichtung bilden. Der vorspringende Teil 7 bildet eine Rippe, die in der Ebene liegt, die durch die Achseder Zündvorrichtung und derAchse^es Kolbens 5 gebildet wird, sie mindestens teilweise den Brennraum abschließt und Platz gibt für die Ventile 3. In Fig. 5 ist außerdem eine Rinne 7a dargestellt, die quer durch den Wulst 7 die

- 6 309835/0534

Aussparung 8 mit dem Brennraum 6 verbindet.

Eine Variante dieser dritten Ausführungsform ist in Fig. 7 dargestellt, in der der Zylinderraum fortgelassen ist, damit die übrigen Teile besser erkennbar sind. Bei dieser Ausführungsform liegt die Zündvorrichtung 4 in der Nähe eines Ventiles 3b, vorzugsweise des Auslaßventiles. Der vorspringende Teil 7 hat im wesentlichen die gleiche Form wie bei der vorgenannten Ausführungsform; die Aussparung 8 ist so ausgebildet, daß sie die Zündvorrichtung und das Auslaßventil 3b deckt. Man erkennt in dieser Figur den Kanal 8a, der die Aussparung 8 mit dem Brennraum verbindet.

Aus der folgenden Darstellung des Zweckes dieser Ausführungsformen ergeben sich auch die Vorteile des Erfindungsgedankens.

Bei der ersten Ausführungsform wird der Brennraum unterteilt während die Zündvorrichtung mit einer Vorverbrennungskammer 9 mit mehreren öffnungen versehen ist, wie dies die Figuren 1 bis .3 zeigen. Diese Aufteilung beeinträchtigt nicht die Tätigkeit der Ventile und beschränkt den Wärmeaustausch durch Strahlung.

Es kann zweckmäßig sein, an einer Zündvorrichtung, die mit einer Vorverbrennungskammer mit einer öffnung versehen ist, eine Spitze des vorspringenden Teiles anzubringen, die daher die Zone, in der die erste Zündung erfolgt, einquetscht, so daß das Gas in Jede der durch die Aufteilungswand bestimmten Teile strömt.

Infolge dieser Konstruktionsmerkmale ergibt sich eine viel schnellere Phase der Anfangsverbrennung, während die Zwischenphase langsamer verläuft weil während der ersten Phase der Wärmeaustausch mit dem Hauptteil der Kammer begrenzt 1st und der Boden des Kolbens einen Schirm bildet; die Endphase ist da-

- 7 309835/0534

gegen »ehr viel schneller wegen der Ausdehnung, die die Verbrennungszone während der Zwischenphase erreicht hat und wegen der gleichzeitig erzeugten Turbulenz.

Diese konstruktiven Merkmale beeinflussen überdies proportional die Paktoren, die die Tendenz zum Klopfen oder die Vergrößerung der Luftverschmutzung bestimmen. Je nachteiliger die Strahlung ist, d.h. zu Beginn der Verbrennung umso größer 1st der Einfluß des Schirmes am Kolbenboden, da sich der Kolben in diesem Augenblick im Bereich des oberen Totpunktes befindet.

Andererseits 1st, weil die Verbrennung viel schneller und infolge der erzeugten Turbulenz viel vollständiger erfolgt, der Expansionsnutzungsgrad der verbrannten Gase höher und die erzeugte Leistung größer. Es ergibt sich also eine Verbesserung des Wirkungsgrades und eine Verringerung der Luftverschmutzung.

Bei der Anordnung nach Fig. H erfolgt die Zündung im unteren Punkt der Brennkammer 6, wobei die Zündung beginnt in der Vorverbrennungskammer 10 und die entzündeten Gase durch die Öffnungen 11 und 12 ausströmen und ihrerseits die im Brennraum 6 enthaltene Gasmengenmischung entzündet. Der Fortschritt der Flammenfront erfolgt also von unten nach oben. Der vorspringende Teil 2a bildet also einen Schirm, der mit fortschreitender Verbrennungsfront in seiner Wirksamkeit zunimmt und so einen Fortschritt der Wärmedurchstrahlung innerhalb der Kammer 6 begrenzt, so daß die Gefahr der Selbstentzündung des noch nicht entzündeten Teiles der Mischung vermindert wird.

Ein Vorteil dieser Ausführung besteht darin, daß das brennbare Gemisch in dem Brennraum 6 dort entzündet wird, wo die Konzentration des Kraftstoffes am größten ist. Infolgedessen wird die Gefahr, daß durch den Auspuff unverbrannte Gase ausströmen und somit die Luft verschmutzt wird, erheblich vermindert.

309835/0534 - 8 -

Außerdem ist der im Brennraum enthaltene Teil des Gemisches, der zuletzt entzündet wird, derjenige, der am längsten der Wärmestrahlung ausgesetzt ist und daher derjenige, der die Temperatur der Selbstentzündung annehmen und das Klopfen erzeugen kann. Außerdem ist es vorteilhaft, daß dieser Teil der Mischung sich im oberen Teil der Kammer 6 befindet, der mit dem stark gekühlten Teil des Zylinderkopfes in Berührung steht. Die Gefahr der Selbstentzündung damit die Tendenz zum Klopfen werden somit wesentlich vermindert.

In dem dritten, in Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich der äußerste Teil des vorspringenden Teiles

7 beim Erreichen des oberen Totpunktes jenseits des Punktes, in dem die erste Zündung erfolgt. Der vorspringende Teil wirkt da in vorteilhafter Weise als Schirm gegen einen thermischen Strahlungsaustausch und der Anteil der Verbrennung, der von unten nach oben erfolgt, ist erheblicher als bei der erstbeschriebenen Ausführungsform.

Vorzugsweise wird in dem. waagerecht vorspringenden Teil eine Rinne 7a vorgesehen, die die Ausströmung der in der Aussparung

8 entzündeten Gase in Richtung der Brennkammer 6 ermöglicht. Diese Rinne 7a ist vorzugsweise auf das Auslaßventil 3b (Pig.6), so daß die Entzündung des Gasgemisches in der Kammer 6 zunächst im Bereich des Auslaßventiles erfolgt. Es ist notwendig, daß die Entzündung des Gases in der Umgebung des Auslaßventiles früher erfolgt als in der Umgebung des Einlaßventiles, damit Selbstentzündung vermieden wird.

In der die Pig. 7 dargestellten Variante dieser dritten Ausführungsform umfaßt die Ausnehmung 8,in der die Phase der ersten Verbrennung vor-sich-geht, sowohl die Stelle der Zündvorrichtung 4, als auch die Stelle des Auslaßventils 3b. Infolgedessen ist es der Teil des Gases, der sich am wärmsten Teil des Brenn-

309835/0534 _ ₉ .

raums befindet, der zuerst verbrennt. Die Strömung des brennenden Gases vom Beginn der Abwärtsbewegung des Kolbens ist daher von Bedeutung.

Der auf dem Kolben 5 vorgesehene Kanal 8 zur Verbindung der Zone 8 mit der Brennkammer 6 hatte den Vorteil, daß am Ende der Kompression eine zu große Erhitzung und damit die Gefahr der Selbstentzündung aufgrund eines zu hohen Druckes in der Aussparung 8 vermieden wird.

Schließlich ermöglicht die Erfindung den Kompressionsgrad des Motors zu erhöhen oder die Qualität des Gemisches zu verringern, also die Kosten des Kraftstoffes zu vermindern und Kraftstoffe niederer Oktanzahl und geringerer Mengen von Antiklopfstoffen zu verwenden und somit eine Emission schädlicher Stoffe zu verringern.

Pat ent ansprüche:

309835/0534

Claims

Ansprüche

( 1.· Verfahren zum Verringern der Tendenz von Verbrennungsmotoren ^'zum Klopfen und zum Verschmutzen der Luft, bei dem die Entzündung des im Brennraum enthaltenden Gasgemisches durch ein oder mehrere mit Organen des Motors aus einem Stück bestehenden Teilen bestimmt wird, die eine große Erhöhung der Temperatur im Bereich einer oder mehrerer mit dem Brennraum in Verbindung stehenden Zonen bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beschränkung des thermischen Strahlungsaustausches ein Schirm eingeschaltet ist zwischen den einzelnen Teilen des Gemisches, die zunächst durch die aus Jener Zone oder jenen Zonen stammenden Gasen entzündet werden und dem noch nicht entzündeten Gemisch.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Brennraum derart ausgebildet wird, daß die zunächst entzündeten Punkte des Gemisches denjenigen Punkten des Gemisches genähert werden, die davon am weitesten entfernt sind, um die Zeit der vollständigen Verbrennung des Gemisches zu verkürzen.
3. Motor zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, der eine Zündvorrichtung mit einer daran festen oder abnehmbaren Vorverbrennungskammer besitzt, die durch mindestens zwei Öffnungen mit dem Brennraum in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß er wenigstens einen Kolben besitzt, dessen Boden an einem im wesentlichen konisch vorspringenden Teil eine zum Kolben koaxiale Spitze gegenüber dem Grund der Vorverbrennungskammer aufweist, wobei der vorspringende Teil breit· Rillen in Richtung seiner Achse gegenüber den genannten Öffnungen aufweist und eine Wand zum teilweisen Aufteilen des Brennraums bildet.

309835/0534
4. Motor zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er an wenigstens einem Zylinderkopf einen in den Brennraum vorspringenden Teil aufweist, der an seinem Ende eine Vorverbrennungskammer besitzt, die mit einer Zündvorrichtung versehen ist und -wenigstens 2 seitliche öffnungen besitzt, die in Verbindung mit dem Brennraum stehen.
5. Motor zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er wenigstens einen Kolben besitzt, dessen Boden einen solchen Vorsprung besitzt, die einerseits einen Hohlwulst aufweist, der bezüglich der Zündvorrichtung eine bewegliche Vorverbrennungskammer bildet, und andererseits sich als Teilwand der Verbrennungskammer zwischen dem Einlaß- und Auslaßventil erstreckt.
6. Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Kolben oder im Zylinderkopf eine Rille vorgesehen ist, die die Vorverbrennungskammer mit demjenigen Teil des Brennraums verbindet, der dem Auslaßventil benachbart ist.
7. Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslaßventil in der Nähe der Zündvorrichtung angeordnet ist und der die bewegliche Vorverbrennungskammer bildende Hohlwulst auch die öffnung des Auslaßventils deckt.
8. Motor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine im Kolben oder im Zylinderkopf vorgesehene Rille, die die Vorverbrennungskammer mit dem Brennraum verbindet, in die Vorverbrennungskammer nahe dem Auslaßventil mündet.

309835/053*