DE2312201A1

DE2312201A1 - Mit ladungsschichtung betriebene brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2312201A1
Application number: DE2312201A
Authority: DE
Inventors: Gerd Dipl Ing Decker
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1973-03-12
Filing date: 1973-03-12
Publication date: 1974-09-19
Also published as: US3924584A; JPS5048302A

Description

VOLKSWAGENWEBK Aktiengesellschaft

5180 Wolfsburg
Unsere Zeichen: K 1447
1702-Pt/We/Ti

Mit Ladungsschichtung "betriebene Brennkraftmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine mit Ladungsschichtung betriebene Brennkraftmaschine mit einer einen Hauptbrennraum und eine über einen Verbindungskanal mit dem Hauptbrennraum in Verbindung stehende Vorkammer enthaltenden Zylinderanordnung.

Fremdgezündete 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 Gemischzusammensetzung der Zylinderladung zum Zündzeitpunkt zu ermöglichen, und zwar derart, daß sich in der Umgebung der Zündkerze ein zündfähiges, kraftstoffreiches Gemisch befindet, während die Ladung im übrigen Brennraum auf die jeweils günstigsten Betriebsbedingungen des Motors abgestimmt ist und aus

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einem mageren Gemisch oder sogar aus reiner Luft besteht.

Während nun mit der Schichtladung bisher der Versuch unternommen wurde, eine zuverlässige Zündung der Zylinderladung auch innerhalb weiter Grenzen der Gesamtgemisohzusammensetzung sicherzustellen und darüber hinaus das Betreiben von Ottomotoren mit höheren Verdichtungsverhältnissen ohne Erreichung der Klopfgrenze zu ermöglichen, wird 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 Anwesenheit von freiem Sauerstoff erst oberhalb von 1800 G in stärkerem Ausmaß stattfindet. Weiterhin ist bekannt, daß sich die Verbrennungstemperaturen mit der Gemischzusammensetzung der Zylinderladung stark ändern. Die höchsten Verbrennungstemperatüren treten bei etwa stöchiometrischer Gemischzusammensetzung auf, die höchsten Stickoxydkonzentrationen bei etwa 10 fo Luftüberschuß. Erst bei erheblich größerem Luftüberschuß werden alle drei Schadstoffarten, nämlich Stickoxyde, Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxyde · drastisch reduziert, vorausgesetzt, daß sich noch eine stabile Verbrennung verwirklichen läßt. Aus diesen Erkenntnissen kann auf einen vom Standpunkt der Schadstoffemission idealen Prozeß für die motorische Verbrennung geschlossen werden, der jedoch nur durch eine wirksame Steuerung des Verbrennungsablaufes in einem entsprechend gestalteten Brennraum realisiert werden kann.

Bei bekannten, mit Ladungsschichtung betriebenen Brennkraftmaschinen ist der Brennraum in einen von dem Kolben begrenzten Hauptbrennraum und eine mit dem Hauptbrennraum in Verbindung stehende Vorkammer unterteilt. Dabei weist die Vorkammer eine beispielsweise in Form einer Zündkerze vorliegende Zündvorrichtung und eine Brennstoffzuführeinrichtung, beispielsweise eine Brenn-

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Stoffeinspritzdüse oder ein besonderes zusätzliches Einlaßventil zur Zuführung eines kraftstoffreichen Gemisches, auf. Die Vorkammer ist mit dem Hauptbrennraum durch einen Verbindungskanal verbunden, so daß nach der Zündung des in der Vorkammer vorhandenen kraftstoffreichen Ladungsteils die Flammenfront zur Verbrennung der restlichen, je nach Last kraftstoffarmen Zylinderladung in den Hauptbrennraum übertreten kann. Bei diesen bekannten, mit Ladungsschichtung betriebenen Brennkraftmaschinen wird also ein vom Standpunkt der Schadstoffemission idealer Verbrennungsablauf dadurch angenähert, daß die Verbrennung verzögert abläuft, indem zunächst in der Vorkammer ein erster Ladungsteil mit der kraftstoffreichen ßemxschzusainmensetzung und erst danach die restliche Zylinderladung im Hauptbrennraum verbrennt. Durch diesen verschleppten Verbrennungsablauf werden die Verbrennungsspitzen-•fcemperatüren und die Spitzendrücke bei der Verbrennung abgesenkt.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun darin, eine mit Ladungsschichtung betriebene Brennkraftmaschine der eingangs genannten Bauart so zu verbessern, daß die Verbrennungs- * Verhältnisse weiter dem vom Standpunkt der Schadstoffemission idealen Verbrennungsablauf angenähert werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß Mittel zur Erzeugung einer Drallströmung in dein Hauptbrennraum vorgesehen sind, und daß der Verbindungskanal in Richtung dieser Drallströmung in den Hauptbrennraum einmündet. Zwar ist es schon bei mit Ladungsschichtung betriebenen Brennkraftmaschinen bekannt, in dem Brennraum eine Drallströmung zu erzeugen, jedoch dienie diese Drallströmung dort im wesentlichen zur Erreichung der Ladungsschichtung in einem ungeteilten Brennraum. Bei der Erfindung ist dagegen die Drallströmung im Hauptbrennraum im Zusammenhang mit dem in Richtung dieser Drallströmung in den Hauptbrennraum einmündenden Verbindungskanal zu sehen. Durch diese Maß-

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nahmen soll nämlich erreicht werden, daß die nach der Zündung in der Vorkammer aus dieser durch den Verbindungskanal in den Hauptbrennraum ausströmenden Verbrennungsgase sich in der gleichen Richtung wie die Drallströmung im Hauptbrennraum bewegen und dadurch die Verbrennung dort so verschleppen, daß Spitzentemperaturen vermieden, erhöhte mittlere Temperaturen jedoch über einen längeren Zeitraum hinweg aufrechterhalten werden. Die auf diese Weise erreichte Verringerung der Energieumsetzungsgeschwindigkeit und die damit verbundene Absenkung der Druckanstiege und der Spitzentemperaturen im Verbrennungsraum ergeben nun einen Verbrennungsablauf, der dem vom Standpunkt der Schadstoffemission idealen Verbrennungsablauf weitgehend angenähert ist.

Vorzugsweise soll der Verbindungskanal im wesentlichen tangential in den Haupt brennraum einmünden und die Mittel zur Erzeugung der Drallströmung in dem Hauptbrennraum sollen durch Ausbildung der Einlaßventile als Schirmventile gebildet werden. Die Drallströmung im Hauptbrennraum kann jedoch auch durch eine drallerzeugende Führung des Einlaßkanals oder durch eine drallerzeugende Kontur des Deckels des in der Zylinderanordnung laufenden Kolbens erreicht werden. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung soll der Verbindungskanal im wesentlichen tangential in die vorzugsweise kugelförmig ausgebildete und mit einer Kraftstoffzuführeinrichtung und einer Zündvorrichtung versehene Vorkammer einmünden. Durch diese tangentiale Einmündung des Verbindungskanals in die Vorkammer wird auch dort eine Drallströmung erzeugt, die die Aufbereitung des zugeführten Brennstoffes unterstützt. Abgesehen von der kugelförmigen Ausbildung der Vorkammer sind jedoch auch andere Formen, beispielsweise scheiben- oder zylinderförmige Vorkammern, möglich.

Schließlich wird vorgeschlagen, daß der Hauptbrennraum die Form eines schräg abgeschnittenen, geraden Kreiszylinders aufweist und daß der Verbindungskanal im Verlauf der schräg zur Zylinderachsnormalen verlaufenden Decke des Hauptbrennraums angeordnet ist.

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Zur weiteren Erläuterung der Torteile und wesentlichen Merkmale der Erfindung ist in der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das im folgenden näher beschrieben wird. Dabei zeigen in schematischer Darstellungsweise

Figur 1 einen Längsschnitt durch den Zylinderkopf einer mit einem Hauptbrennraum und einer Vorkammer ausgerüsteten Brennkraftmaschine gemäß der Schnittlinie I-I aus Figur 2 und

Figur 2 einen Querschnitt durch den Zylinderkopf gemäß den Schnittlinien II-II aus Figur 1.

In der Zeichnung ist mit 1 ein in einem Zylindergehäuse 2 gleitender Kolben bezeichnet. Der in einem Zylinderkopf 3 liegende Verbrennungsraum teilt sich in einen direkt oberhalb des Kolbens 1 verbleibenden Hauptverbrennungsraum 4 und- eine seitlich neben dem Hauptverbrennungsraum 4 liegende Vorkammer 5 auf, die über einen Verbindungskanal 6 mit dem Hauptverbrennungsraum 4 verbunden ist. Die Vorkammer 5 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel etwa kugelförmig ausgebildet und umfaßt 20 - JO $ des Volumens des Gesamtverbrennungsraums im oberen Totpunkt des Kolbens 1. Der Yüerbindungskanal 6 weist im Verhältnis zu seiner Länge L einen relativ großen Durchmesser D auf (<jj = 1). Der Hauptbrennraum 4 hat die Form eines schräg abgeschnittenen, geraden Kreiszylinders und der Verbindungskanal 6 ist im Verlauf der schräg zur Zylinderachsnormalen verlaufenden Decke 7 des Hauptbrennraums 4 so angeordnet, daß er im wesentlichen tangential in die Vorkammer 5 einmündet.

Mit 8 ist ein Frischlufteinlaßkanal bezeichnet, der durch ein mit Hilfe eines Kragens 10 als Schirmventil ausgebildetes Einlaßventil 9 verschlossen werden kann. Eine Einspritzdüse 11 zur Zuführung von Kraftstoff ist in dem Einlaßkanal 8 angeordnet. Eine zweite Einspritzdüse 12 ist in der Vorkammer 5 in Strömungsrichtung gesehen

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vor einer als Zündkerze 13 ausgebildeten Zündvorrichtung vorgesehen. Mit 14 ist in der Figur 2 das Auslaßventil mit strichpunktierten Linien angedeutet. Schließlich ist mit den Pfeilen 15 die Drehrichtung der in der Haupfbrennkammer 4 erfolgenden Ladungsbewegung, mit dem Pfeil 16 die Ladungsbewegung in der Vorkammer 5 während des Verdichtungstaktes und mit dem Pfeil die Richtung des aus der Vorkammer 5 in die Hauptbrennkammer nach der Zündung überströmenden verbrennenden Gases bezeichnet. Während des Saugtaktes der im Viertaktverfahren arbeitenden Brennkraftmaschine wird ein Brennstoff-Luftgemisch durch den Einlaßkanal 8 in den Haupt brennraum 4 angesaugt, wobei durch die Anordnung des Kragens 10 an dem Ventilteller des Einlaßventils 9 dem einströmenden Brenngasgemisch eine in Richtung der Pfeile 15 erfolgende Drehbewegung aufgezwungen wird. Diese Drall strömung in dem Hauptbrennraum 4 hält auch während des Verdichtungstaktes an, bei dem ein Teil der Zylinderladung durch den Verbindungskanal 6 in die Vorkammer 5 hinübergeschoben wird. Dadurch, daß der Verbindungskanal 6 tangential in die kugelförmige Vorkammer 5 einmündet, wird auch in der Vorkammer 5 eine Drallströmung in Richtung des Pfeiles 16 erzeugt, die zur Aufbereitung des durch eine weitere Kraftstoffeinspritzung mit Hilfe der in die Vorkammer hineinreichenden Einspritzdüse 12 angereicherten Brennstoff-Luft-Gemisches beiträgt. Die dieses angereicherte Gemisch zündende Zündkerze 13 ist in Strömungsrichtung gesehen hinter der Einspritzdüse 12 angeordnet, und zwar vorzugsweise in dem Bereich der Vorkammer wand, die von dem durch die Gasströmung verformten Spritzstrahl-Kegel berührt wird.

Nach der Zündung wird zunächst der in der Vorkammer enthaltene Ladungsteil mit verhältnismäßig kraftstoffreicher Gemischzusammensetzung unter Luftmangel verbrannt und es entsteht eine durch den Verbindungskanal 6 in den Hauptbrennraum 4 hinübertretende Verbrennungsfront, die sich, da der Verbindungskanal 6 im wesentlichen tangential in Richtung der in dem Hauptbrenn-

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raum verlaufenden Ladungsbewegung einmündet, in der gleichen Richtung wie die Ladung in dem Hauptbrennraum bewegt. Dadurch wird eine schlagartige Verbrennung in dem Hauptbrennraum 4 verhindert und die Verbrennung so verschleppt, daß überhöhte, die Stickoxydbildung verursachende Spitzentemperaturen vermieden werden und anstelle dessen eine erhöhte mittlere Temperatur über einen längeren Zeitraum hinweg aufrechterhalten wird.

Die wesentlichen Merkmale der Erfindung bestehen also darin, daß Mittel zur Erzeugung eines Dralls in dem Hauptbrennraum 4 vorgesehen sind und daß der Verbindungskanal 6 zwischen dem Hauptbrennraum 4 und der Vorkammer 5 so in den Hauptbrennraum einmündet, daß die durch den Verbindungskanal in den Hauptbrennraum einströmenden verbrennenden Gase sich in der gleichen Richtung wie die Hauptbrennraum-Ladung bewegen. Dabei werden die Mittel zur Drallerzeugung bei dem in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiel durch ein in bekannter Weise als Schirmventil . ausgeführtes Einlaßventil gebildet. Es ist jedoch auch möglich, die Drallströmung in dem Hauptbrennraum durch eine geeignete Formgebung und Führung des Einlaßkanals 8 oder durch andere, ansieh bekannte Maßnahmen, etwa durch eine entsprechende Ausbildung der Stirnwand des Kolbens 1, zu erreichen.

Selbstverständlich kann die Brennstoffzuführung bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine auch auf andere Weise als mit Hilfe der in der Zeichnung gezeigten Brennstoffeinspritzvorrichtungen 11 und 12 erfolgen. So kann beispielsweise die Brennstoffeinspritzdüse 11 im Einlaßkanal 8 durch eine bekannte Vergasereinrichtung ersetzt werden, die in Abhängigkeit von der Leistungsanforderung der Brennkraftmaschine ein mehr oder weniger mageres Grundgemisch liefert. Anstelle der Brennstoffdüse 12 könnte in ebenfalls bekannter Weise in der Vorkammer 5 ein zusätzliches Einlaßventil zur Zuführung eines von einem Vergaser angereicherten Brennstoff-Luft-Gemisches vorgesehen sein.

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Auch soll die in der Zeichnung gezeigte Anordnung von Einlaß- und Auslaßventil in Bezug auf das aus der Vorkammer in den Hauptbrennraum übertretenden verbrennenden Gases nur eine mögliche Ausführungsform andeuten. Gegebenenfalls wäre es für den Verbrennungsablauf im Hauptbrennraum auch vorteilhafter, die Ventile in dem Hauptbrennraum so anzuordnen, daß die aus dem Verbindungskanal in den Hauptbrennraum eintretende Verbrennungsfront im wesentlichen auf das Auslaßventil gerichtet ist. Während nämlich bei der in der Figur 2 gezeigten Anordnung das heiße Auslaßventil unter Umständen den Ausgangspunkt für ungewollte, spontane Glühzündungen während der im Bereich des Einlaßventils beginnenden Verbrennung der Hauptbrennraumladung bilden könnte, wurden bei der erwähnten spiegelbildlichen Anordnung diese Erscheinungen dadurch vermieden, daß die Verbrennung im Hauptbrennraum ohnehin sofort im Bereich des Auslaßventils beginnt.

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Claims

Ansprüche

/ 1 ·ί Mit Ladungsschichtung betriebene Brennkraftmaschine mit einer einen Hauptbrennraum und eine über einen Verbindungskanal mit dem Hauptbrennraum in Verbindung stehende Vorkammer enthaltenden Zylinderanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Erzeugung einer Drallströmung in dem Hauptbrennraum (4) vorgesehen sind und daß der Verbindungskanal (6) in Richtung dieser Drallströmung in den Hauptbrennraum einmündet.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (6) im wesentlichen tangential in den Hauptbrennraum (4) einmündet.
3. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Hauptbrennraum (4) ein als Schirmventil ausgebildetes Einlaßventil (9) vorgesehen ist.
4. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine drallerzeugende Führung des Einlaßkanals (8) vorgesehen ist.
5. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche des in der Zylinderanordnung laufenden Kolbens (i) eine drallerzeugende Kontur aufweist.
6. Brennkraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (6) im wesentlichen tangential in die Vorkammer (5) einmündet.

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7. Brennkraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkammer (5) kugelförmig ausgebildet ist und eine Kraftstoffzuführeinrichtung (12) sowie eine Zündvorrichtung (13) aufweist.
8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7> dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptbrennraum die Form eines schräg abgeschnittenen, geraden Kreiszylinders aufweist.

9· Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (6) im Verlauf der schräg zur Zylinderachsnormalen verlaufenden Decke (7) des Hauptbrennraums (4) angeordnet ist.

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