DE2324190A1

DE2324190A1 - Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine und nach diesem verfahren arbeitende brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2324190A1
Application number: DE2324190A
Authority: DE
Inventors: Udo Dipl Ing Renger
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1973-05-12
Filing date: 1973-05-12
Publication date: 1974-11-28
Also published as: US3929107A; JPS5048304A

Description

VOLKSWAGENWEHK Aktiengesellschaft

3180 Wolf s burg
Unsere Zeichen: K 1491
1702-Pt/We/Ti

11. 5. 73

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und nach diesem Verfahren arbeitende Brennkraftmaschine

Die Erfindung besieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem in eine Hauptkammer und eine kleinere Vorkammer unterteilten Arbeitsraum, wobei die Verbrennung der Arbeitsraumladung in der Vorkammer beginnt und danach über einen Verbindungsweg in die Hauptkammer übertritt, und auf eine nach diesem Verfahren arbeitende Brennkraftmaschine.

Brennkraftmaschinen mit einem geteilten Brennraum sind sowohl für Selbst- als auch für Fremdzündungsbetrieb bekannt. Bei diesen Maschinen diente die Aufteilung des Arbeitsraumes entweder dazu, durch Verlangsamen des Druckanstiegs während der Verbrennung einen ruhigeren Motorlauf zu erzielen, oder aber dasu, eine Ladungsschichtung zu verwirklichen, wobei in der eine Zündvorrichtung aufweisenden Vorkammer durch zusätzliche Kraftstoffeinspritzung oder durch gesonderte Zuführung eines

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entsprechenden Gemisches ein zündfähiges, jedoch kraft-'stoffreiches Gemisch gebildet wurde, während die Ladung im übrigen Brennraum auf die jeweils günstigsten Betriebsbedingungen des Motors abgestimmt war und aus einem mageren Gemisch oder sogar aus reiner Luft bestand. Während mit einer derartigen Schichtladung lange Zeit nur der Versuch unternommen wurde, eine zuverlässige Zündung der Zylinderladung auch innerhalb weiterer Grenzen der Gesauitgemischzusammensetzung sicherzustellen und darüber hinaus das Betreiben von Otto-Motoren mit höheren Verdichtungsverhältnissen ohne Erreichung der Klopfgrenze zu ermöglichen, wurde in der neueren Zeit in diesen Schichtladeverfahren vor allem auch ein möglicher Weg zur Reduzierung der in den Abgasen der Brennkraftmaschinen enthaltenen Schadstoffe, insbesondere der Stickoxyde, gesehen.

Die Erfindung geht nun von der Überlegung aus, daß eine Ladungsschichtung mit inhomogener Zusammensetzung des in dem Arbeitsraum vorhandenen Gemisches nicht unbedingt einen optimalen Verbrennungsablauf sichert. Sie berücksichtigt vielmehr die Erkenntnis, daß eine hinsichtlich der Vollständigkeit günstigere Verbrennung mit einem möglichst weitgehend homogenen und stöchiometrisch zusammengesetzten Gemisch erzielt werden kann. Dabei muß allerdings die Verbrennungsgeschwindigkeit und -temperatur durch geeignete Maßnahmen in den erforderlichen Grenzen gehalten werden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine der oben bezeichneten Art vorzuschlagen, bei dem der Verbrennungsablauf zur Erreichung niedriger Schadstoffanteile im Abgas möglichst wirkungsvoll gesteuert werden kann. Eine weitere Aufgabe besteht in der Schaffung einer nach diesem Verfahren arbeitenden Brennkraftmaschine.

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Zur Lösung der erstgenannten Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß ein in der Vorkammer zumindest zeit- · weise eingeschlossener Teil eines homogenen Gesamtgemisches im wesentlichen unabhängig von dem Gemischteil in der Hauptkammer verdichtet wird und daß nach der Zündung des Gemisches in der Vorkammer der zuvor verschlossene Verbindungsweg zur Verbrennung des Gemisches in der Hauptkammer freigegeben wird. Bei dem von der Erfindung vorgeschlagenen Verfahren soll also das in der Vorkammer enthaltene Verbrennungsgemisch unabhängig von dem Kompressionsverlauf in der Hauptkammer, vorzugsweise auf höhere Drücke als in der Hauptkammer, verdichtet werden, so daß die Voraussetzung für die Entzündung des Gemisches in der Vorkammer besser oder 'gegebenenfalls auch früher als in der Hauptkammer erreicht werden.

Nach der Entzündung des Gemisches in der Vorkammer, die durch Fremdzündung oder bei entsprechender Verdichtung durch Selbstzündung erfolgt, soll durch. Überströmen der heißen, verbrennenden Gase aus der Vorkammer in die Hauptkammer die Verbrennung auch in der Hauptkammer angefacht werden. TJm einen Einfluß auf die dadurch bewirkte Verzögerung des Verbrennungsablaufes zu haben, kann nach einem weiteren Vorschlag.der Erfindung der Zeitpunkt der Öffnung des Verbindungsweges von der Vor- in die Hauptkammer in Abhängigkeit von der Leistung und/oder der Drehzahl der Brennkraftmaschine gesteuert werden. Weiterhin ist es möglich, durch Erzeugung einer Ladungsbewegung in der Hauptkammer, beispielsweise durch Erzeugung einer Drallströmung, etwa durch geeignete Ausbildung des Einlaßventils, die Verbrennung in der Hauptkammer in geordneten Bahnen ablaufen zu lassen. Eine für die Verringerung der Stickoxydemissionen notwendige Herabsetzung der bei der Verbrennung entstehenden Spitzentemperaturen kann in bekannter Weise durch Zumischung von

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Inertgas (ζ. Β. Abgasrückführung) erreicht werden. Dabei erweist sich das erfindungsgeinäße Verfahren als besonders wirkungsvoll, da die bei den herkömmlichen Brennkraftmaschinen durch die Abgaszumischung infolge der dadurch bedingten Annäherung an die Zündgrenzen entstehenden Schwierigkeiten im Motorbetrieb weitgehend dadurch ausgeräumt werden, daß der in der Vorkammer eingeschlossene Gemischanteil auf ein solches Energieniveau angehoben werden kann, daß dessen Zündung mit Sicherheit gewährleistet ist.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Brennkraftmaschine mit einem in eine Haupt- und eine Vorkammer unterteilten Arbeitsraum vorgeschlagen, bei der in der Vorkammer ein die Verdichtung des darin eingeschlossenen Volumens bewirkender Kolben angeordnet ist. Dieser Vorkammerkolben soll zweckmäßigerweise in einem festen Verhältnis zur Kurbelwellendrehzahl antreibbar sein.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung soll die Vorkammer durch einen im Zylinderkopf liegenden, nach der Hauptkammer hin geöffneten Raum gebildet sein, in den ein aus der Stirnfläche des der Hauptkammer zugeordneten Kolbens herausragender Kolben eintaucht. Dabei kann der Vorkammerkolben starr mit dem Hauptkammerkolben verbunden sein, wobei die Verdichtung in der Vorkammer mit der gleichen Phasenlage wie in der Hauptkammer erfolgt. Wenn dagegen nach einem anderen Vorschlag der Erfindung die Verdichtung in der Vorkammer derjenigen in der Hauptkammer voreilen soll, so daß das Verdichtungsdruckmaximum in der Vorkammer früher erreicht wird alß das in der Hauptkammer, dann kann dies in vorteilhafter Weise dadurch erreicht werden, daß der Vorkammerkolben seitlich an der Pleuelstange des Hauptkammerkolbens angelenkt ist und durch eine Durchgangsbohrung in der Stirnfläche des Hauptkammerkolbens dichtend hindurchgeführt ist.

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Um nach der Zündung des Gemisches in der Vorkammer einen Verbindungsweg zu der Hauptkammer freizugeben, ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung an der Mantelfläche des Vorkammerkolbens eine sich in Längsrichtung erstreckende Ausnehmung vorgesehen, die mit einer Aussparung in der-Umfangsfläche der Vorkammerwand zur Schaffung eines Verbindungsweges zwischen der Vorkammer und der Hauptkammer zusammenarbeitet. Mit besonderem Vorteil kann die Vorkammer durch eine in dem Zylinderkopf drehbar angeordnete zylindrische Hülse gebildet sein mit einer am Innenumfang der Hülse angeordneten, der Ausnehmung am Vorkammerkolben zugeordneten Aussparung. Wenn dabei zur Drehung der Hülse weiterhin ein in Abhängigkeit von der Leistung und/oder der Drehzahl der Brennkraftmaschine betätigter Zahnstangenantrieb vorgesehen ist, kann der Öffnungszeitpunkt des von der Aussparung der Hülse und der Ausnehmung in dem Vorkammerkolben gebildeten Verbindungsweges zwischen der Vorkammer und der Hauptkammer in weiten Grenzen variiert werden. Dabei muß die Zündung in der Vorkammer erfolgt sein, noch bevor deren Ladung in den Hauptbrennraum überströmen kann.

TJm eine Drehbewegung der Hülse in dem Zylinderkopf zu ermöglichen, soll die Hülse an ihrem äußeren Umfang Kolbenringe zur Abdichtung des Ringspaltes zwischen der Hülse und der die Hülse aufnehmenden Bohrung des Zylinderkopfes

aufweisen. Schließlich ist eine Feder zur axial federnden Abstützung der Hülse am Zylinderkopf vorgesehen, die zum einen eine axiale Atmungsbewegung der Hülse zwecks Selbstreinigung der Kolbenring-Nuten ermöglicht und die dabei. gleichzeitig Verbrennungsspitzendrücke weich aufnimmt.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung sieht anstelle der zu der Hauptkammer hin geöffneten Vorkammer vor, daß die Vorkammer durch einen im Zylinderkopf angeordneten

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abgeschlossenen, zylindrischen Raum gebildet ist mit einem zugeordneten, über einen Nockenantrieb betätigten Kolben, und daß in einem die Vorkammer mit der Hauptkammer verbindenden Verbindungskanal eine Absperrvorrichtung vorgesehen ist. Diese Ausbildung hat den Vorteil, daß der Vorkammerkolben weitgehend unabhängig von dem Hauptkammerkolben betätigt werden kann, so daß die in der Vorkammer stattfindende Verdichtung des Gemisches noch besser gesteuert werden kann. Auch das Überströmen des verbrennenden Gases aus der Vorkammer in die Hauptkammer kann durch entsprechende Steuerung der Absperrvorrichtung, die vorzugsweise durch ein über einen Nockenantrieb angetriebenes federbelastetes Ventil gebildet ist, sehr genau gesteuert werden.

So kann nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung der Vorkammerkolben zwecks Veränderung des Verdichtungsenddruckes Mittel zur Veränderung der Kolbenendlage in der Vorkammer aufweisen, die beispielsweise aus einem in Abhängigkeit von der Leistung und/oder der Drehzahl der Brennkraftmaschine betätigten Antrieb zur Verdrehung eines auf einem Gewinde einer Kolbenbetätigungsstange befestigten Kolbens bestehen. Um eine selbsttätige Öffnung des den Verbindungskanal zwischen der Vorkammer und der Hauptkammer versperrenden Ventils zu erreichen, kann die Ventilfeder derart ausgelegt sein, daß das Ventil durch den in der Vorkammer erzeugten Verbrennungsdruck selbsttätig geöffnet wird. Dabei wird also der Öffnungszeitpunkt durch das Einsetzen der Verbrennung in der Vorkammer bestimmt.

Nach einem anderen Vorschlag der Erfindung kann auch der Öff- ■ nungszeitpunkt des Ventils in Abhängigkeit von der Leistung und/oder der Drehzahl der Brennkraftmaschine steuerbar sein. Zur Steuerung des Öffnungszeitpunktes des Ventils können dabei Mittel zur Veränderung des Ventilspiels vorgesehen sein, vorzugsweise in der Art, daß der Ventilkopf und der Ventilschaft

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durch ein Gewinde verbunden sind und daß ein Zahnstangenantrieb zur Verdrehung des Ventilkopfes auf dem Ventilschaft vorgesehen ist.

Weitere Vorteile und wesentliche Merkmale der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung enthalten, die die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Me Zeichnung zeigt in schematischer Darstellungsweise in

Figur 1 einen Querschnitt durch den Zylinderkopf einer erfindungsgeniäßen Brennkraftmaschine mit einer 'zur Hauptkammer hin geöffneten Vorkammer, in die ein an dem Hauptkammerkolben starr befestigter Vorkammerkolben eintaucht,

Figur 2 einen Querschnitt durch eine Brennkraftmaschine mit einer der Figur 1 ähnlichen Anordnung, bei der jedoch der in die Vorkammer eintauchende Kolben an der Pleuelstange des Hauptkolbens abgelenkt ist,

Figur 5 einen Querschnitt durch den Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine, bei der die A^rorkammer gegenüber den Ausführungen nach den Figuren 1 und 2 nicht direkt,sondern nur über einen verengten Verbindungskanal mit der Hauptkammer verbunden ist und bei der ein der Vorkammer zugeordneter Kolben über einen Nockenantrieb betätigt wird, und

Figur 4 eine graphische Darstellung des Druckverlaufes sowie des Zustandes des Verbindungsweges zwischen der Vorkammer und der Hauptkammer über der Zeit beziehungsweise dem Kurbelwinkel.

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In der Figur 1 ist mit 1 ein Zylinder einer Brennkraftmaschine bezeichnet _f in dem ein Kolben 2 läuft, der einen von einem Zylinderkopf 3 begrenzten Arbeitsraum mit veränderlichem Volumen bildet. In den Arbeitsraum münden Ein- und Auslaßventile, von denen in der Figur 1 ein einen Einlaßkanal 5 absperrendes Einlaßventil 6 mit dem zugehörigen, üblichen Yentilantrieb gezeigt ist.

Der Arbeitsraum der erf xndungsgeiaäß en Brennkraftmaschine teilt sich auf in eine dem Kolben 2 zugeordnete Hauptkammer 4 und in eine zur Hauptkammer 4 ki*¹ geöffnete, zylindrische Vorkammer 7· Die Vorkammer 7 wird von einer Hülse 8 gebildet, die in einer in Richtung der Hauptzylinderbohrung liegenden Bohrung 9 im Zylinderkopf 3

drehbar gehalten ist. Kolbenringe 10

dichten den Eingspalt zwischen der Hülse 8 und der Bohrung 9 gegen die Hauptkammer 4 ab.

In die zylindrische Vorkammer 7 taucht ein kleiner Vorkammerkolben 11 ein, der bei dem in der Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel fest auf der Stirnseite des Hauptkolbens 2 befestigt ist. An der Mantelfläche des Vorkammerkolbens 11 ist eine -sich in Längsrichtung erstreckende Ausnehmung 13 vorgesehen, die zur Schaffung eines Verbindungsweges zwischen der Vorkammer 7 und der Hauptkammer 4 mit einer an dem Innenumfang der Hülse 8 angeordneten Aussparung 12 zusammenarbeitet. Zur Verdrehung der Hülse 8 ist eine Zahnstange 14 vorgesehen, die an einer Außenverzahnung 15 der Hülse 8 eingreift, so daß bei einer Axialverschiebung der Zahnstange 14 die Hülse 8 um einen entsprechenden Verdrehwinkel verdreht wird.

Bei der in der Figur 1 gezeigten Ausführung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird während der Aufwärtsbewegung des Kolbens 2 und der dabei stattfindenden Verdichtung des in

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den Arbeitsraum angesaugten Luft-Brennstoff-Gemisches in der Ifeupfeammer 4 synchron auch das in der Vorkammer 7 enthaltene Gemischvolumen durch den in die Vorkammer eintauchenden Vorkämmerkolben 11 verdichtet. Dabei sind die Abmessungen der Vorkammer 7 und des Vorkammerkolbens 11 so getroffen, daß bei der Verdichtung in der Vorkammer ein höherer Enddruck erreicht wird als in der Hauptkammer 4· Die höhere Verdichtung des Gemisches in der Vorkammer wird dabei dadurch erzielt, daß beim Eintauchen des Vorkammerkolbens 11 in die von der Hülse 8 umschlossene Vorkammer die Verbindung zwischen der Vorkammer und der Hauptkammer unterbrochen wird, fiber die Aussparung 12 am Innenumfang der Hülse 8 und die mit dieser Aussparung 12 korrespondierende Ausnehmung 1J am Mantel des Vorkammerkolbens 11 soll nun ein Verbindungsweg zwischen der Vorkammer 7 und der Hauptkammer 4 zu einem Zeitpunkt geöffnet werden, in dem in der Vorkammer das in dieser eingeschlossene Gemisch gezündet hat. Über diesen Verbindungsweg tritt dann das verbrennende Gas aus der Vorkammer in die Hauptkammer und bewirkt ein Verbrennen des in dieser enthaltenen Gemisches.

Der Verbrennungsverlauf der Hauptkammerladung kann dabei durch Abstimmung der Vorkammergröße und des Überströmquerschnittes sowie durch eine Verstellung des Zünd- und Überströmzeitpunktes der Vorkammerladung weitgehend gesteuert werden. Dabei kann der Zeitpunkt des Überströmens der verbrennenden Ladung aus der Vorkammer in die Hauptkammer dadurch verändert werden, daß die Aussparung 12 an der Vorkammerhülse 8 und die Ausnehmung 13 an dem Vor-, kammerkolben 11, beispielsweise in Abhängigkeit von der Leistung und/oder der Drehzahl der Brennkraftmaschine zu verschiedenen Zeitpunkten miteinander verbunden werden. Dazu weist die in ümfangsrichtung breitere Ausnehmung 13 an dem Vorkammerkolben 11 eine schräge Steuerkante 13' auf,

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die je nach Stellung der drehbar gelagerten Hülse 8 früher oder später die Aussparung 12 mit der Ausnehmung 15 verbindet. Die Drehung der Hülse 8 wird dabei durch eine axial bewegliche Zahnstange 14 erreicht, die in eine Außenverzahnung I5 der Hülse 8 eingreift. Die Drehung der Hülse, die, wie oben schon erwähnt wurde, in Abhängigkeit von der Leistung und/oder der Drehzahl der Brennkraftmaschine erfolgen kann, bewirkt also eine Veränderung des Überströmzeitpunktes der verbrennenden Vorkamiaerladung. Dabei muß jedoch in jedem Fall sichergestellt sein, daß vor der Öffnung des Verbindungsweges zwischen der Vorkammer 7 ^und der Hauptkammer 4 das Gemisch in der Vorkammer gezündet und entflammt ist. Dies kann durch eine Selbstzündung des Gemisches erreicht werden, wobei die Verdichtung in der Vorkammer auf so hohe Druckwerte gebracht wird, daß die Selbstzündungstemperatur erreicht wird. Gegebenenfalls kann zur "Unterstützung noch ein elektrisch beheizbarer Glühstift 16 vorgesehen sein, der in die Vorkammer hineinreicht.

Selbstverständlich kann anstelle von Selbstzündung auch mit Fremdzündung gearbeitet werden. Dazu müßte in der Vorkammer eine Zündvorrichtung, beispielsweise in Gestalt einer Zündkerze, angeordnet werden, durch deren Zündfunken die Vorkammerladung entflammt wird.

Um nun eine geordnete Verbrennung in der Hauptkammer unter Vermeidung überhöhter Verbrennungsspitzentemperaturen zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn eine geeignete Ladungs-.bewegung in der Hauptkammer, beispielsweise eine Drehbewegung, ' erzeugt wird und wenn die aus der Vorkammer austretenden verbrennenden Gase in Richtung dieser Ladungsbewegung in die Hauptkammer eintreten. Eine Absenkung der Verbrennungsspitzentemperaturen und damit eine Verringerung der in den

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Abgasen enthaltenen Stickoxydanteile kann weiter durch eine geregelte Zugabe von Abgas bzw. Inertgas bewirkt werden, wobei das zugeführte Abgas möglichst gleichmäßig und homogen in der gesamten Arbeitsraumladung verteilt sein sollte.

Während nun bei der Ausführung nach der Figur 1 die Verdichtung in der Vorkammer 7 synchron zu der Verdichtung in der Hauptkammer 4 verläuft, das heißt der maximale Verdichtungsenddruck wird gleichzeitig in beiden Kammern erreicht, ergibt sich bei der Ausführung nach Figur 2, bei der im übrigen für gleiche Bauteile die gleichen Bezugsziffern wie in der Figur 1 verwendet werden, eine Phasenverschiebung in den Verdichtungsabläufen der beiden Kammern. Dadurch, daß nach dieser Ausführung der Vorkammerkolben 11 durch eine koaxial zur Vorkammerhülse 8 geführte Bohrung 19 in dem Hauptkolben 2 gasdicht mit Hilfe von Kolbenringen 19' hindurchgeführt ist und mit seinem unteren Ende 22 an einem seitlichen Auge 21 der den Hauptkolben 2 mit der Kurbelwelle verbindenden Pleuelstange 20 mit Hilfe eines durch ein Querloch 24 an dem Kolben 11 hindurchgeführten Bolzens 23 angelenkt ist, ergibt siph infolge der Relativbewegung zwischen dem Anlenkpunkt an der Pleuelstange 20 und dem Hauptkolben für die Bewegungsabläufe der beiden Kolben sowie die daraus resultierenden Verdichtungsdruckverläufe in der Vor- und Hauptkammer eine Verschiebung ihrer Phasenlage zueinander. Bei einer Drehung der Kurbelwelle, deren Kurbelkreis in der Figur 2 mit dem strichpunktierten Kreis 25 angedeutet ist, entgegen dem Uhrzeigersinn wird das Verdichtungsdruckmaximum in der Vorkammer 7 früher erreicht als in der Hauptkammer 4· Dadurch wird ein größerer Spielraum für die Steuerung des Überschiebezeitpunktes der verbrennenden Vorkammerladujig in die Hauptkammer erzielt.

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Bei den beiden in Figur 1 und Figur 2 gezeigten Ausführungen erfolgt die Abdichtung der drehbaren Hülse 8 gegen den Zylinderkopf 5 durch kolbenringartige Dichtungen 9· Damit diese für die notwendige Selbstreinigung.der Nuten eine axiale Atmungsbewegung ausführen können, soll sich die Hülse 8 axial im Zylinderkopf 3.gegen eine Tellerfeder 18 abstützen, die diese axiale Bewegung in geringem Maße zuläßt und gleichzeitig Verbrennungsspitzendrücke weich aufzunehmen in der Lage ist.

Die in der Figur 3 gezeigte Brennkraftmaschine weicht nun wesentlich von den vorgeschilderten Ausführungen ab. Hierbei ist anstelle einer zur Hauptkammer hin direkt geöffneten Vorkammer eine durch eine von außen in den Zylinderkopf 3' eingebrachte Bohrung 26 gebildete Vorkammer 27 vorgesehen, die mit der Hauptkammer über einen durch den Zylinderkopf 3' geführten Verbindungskanal 30 verbunden ist. In die Bohrung 26 taucht ein durch einen Nockenantrieb 29 betätigter Kolben 28 ein, und die Öffnung des Verbindungskanals 30 wird durch eine von einer Ventilvorrichtung 31 gebildeten Absperrvorrichtung gesteuert.

Der Kolben-28, der mit Kolbenringen 36 versehen ist, ist mittels eines Gewindes 33 auf einer Kolbenstange 32 aufgeschraubt. Am Außenumfang des Kolbens 28 ist eine Verzahnung 35 vorgesehen, in die eine axial verschiebbar gehaltene Zahnstange 34 eingreift, bei deren Axialverschiebung der Kolben 28 mittels des Gewindes 35 gegenüber der Kolbenstange 32 verdreht wird, wodurch die Kolbenendlage und damit das geometrische Verdichtungsverhältnis in der Vorkammer 27 verändert wird.

Die Betätigung des Vorkammerkclbens 28 erfolgt in ähnlicher Weise wie ein Ventilantrieb durch einen llockentrieb 29 gegen

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eine an einem Federteller 57 angreifende Feder 58. Bei dem in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiel des Nockenantriebes 29 ist ein von einer nockenwelle 45 angetriebener und auf einer Achse 40"gelagerte¹ Schwinghebel 59 vorgesehen, der mit einer Ballenfläche 42 auf der Nockenscheibe abläuft und die durch die nockenartigen Erhebungen bewirkten Schwingbewegungen über ein verstellbares Übertragungsglied 41 auf das freie Ende der Kolbenstange 52 ausübt. Ba die Nockenwelle 45 in bekannter Weise von der Kurbelwelle her angetrieben wird, erfolgt die durch den Antrieb des Kolbens bewirkte ■Volumenveränderung in der Vorkammer 27 in einem festen Verhältnis zur Volumenveränderung in der Hauptkammer 4'» jedoch beliebig phasenverschoben.

Zur Steuerung des durch den Verbindungskanal 30 gebildeten Verbindungsweges zwischen der Vorkammer 27 und der Hauptkammer 4¹ dient die Ventilvorrichtung 51» die. ebenfalls über einen von der Nockenwelle 45 angetriebenen Schwinghebel 46 betätigt wird. Der Schwinghebel 46 weist dazu eine Nase 47 auf, die an einen an einer Ventilbetätigungsstange 44 angeordneten Ringbund 45 angreift. Die Rüekbewegung des -zylindrischen Ventilkörpers 49 wird durch eine Feder 48 bewirkt, die den Ventilkörper 49 auf einen in dem Zylinderkopf 5' befestigten Ventilsitz 52 drückt. An dem kolbenartigen Ventilkörper 49 sind Kolbenringdichtungen 5I angebracht.

Die Ventilfeder 48 kann nun so bemessen sein, daß der Ventilkörper 49 durch den beim Zünden und Verbrennen der Vorkammerladung entstehenden Verbrennungsdruck, der an der Ringfläche 50 des Ventilkörpers 49 angreift, selbsttätig von seinem Sitz 52 abgehoben wird. Auf diese Weise wird ohne Eingriff des Nockentriebes eine Öffnung des Verbindungsweges zwischen der Vorkammer und der Hauptkammer erreicht. Dieser Öffnungszeit-

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punkt des Verbindungsweges 30 tmd damit der Zeitpunkt des Üb.erschiebens der verbrennenden Zylinderladung aus der Vorkammer 27 in die Hauptkammer 4' wird damit letztlich von dem Zündzeitpunkt in der Vorkammer 27 bestimmt. Das Erreichen des Zündzeitpunktes richtet sich aber nach dem in der Vorkammer 27 erreichten Verdichtungsverhältnis, das durch eine Veränderung der Kolbenendlage mit Hilfe der an der Außenverzahnung 35 des Vorkammerkolbens 28 angreifenden axial verschiebbaren Zahnstange 34 gesteuert werden kann. Durch eine Verstellung der Zahnstange 34 i*i Abhängigkeit von der Leistung und/oder der Drehzahl der Brennkraftmaschine wird also bei der Ausführung nach Figur 3 nicht nur das Verdichtungsverhältnis in der Vorkammer und der in dieser erreichbare Verdichtungsenddruck und damit der Zeitpunkt der Selbstzündung in der Vorkammer, sondern auch der Zeitpunkt der Öffnung des Verbindungsweges 30 zwischen der Vorkammer und der Hauptkaminer durch den selbsttätig die Ventilvorrichtung 31 öffnenden, bei der Verbrennung der Vorkammerladung entstehenden Verbrenrmngsdruck gesteuert. Zur Unterstützung der Selbstzündung der Zylinderladung kann, wie schon bei den Ausführungen nach Figur 1 und 2, ein in.die Vorkammer 27 hineinreichender, elektrisch beheizbarer Glühstift 57 vorgesehen sein.

Damit die Vorkammer 27 beim Spültakt auch Abgasreste ausschieben und frische Ladung ansaugen kann, sind für den Vorkammerkolben 28 auf der Nockenwelle 2 um 180 versetzte Nocken vorgesehen, wodurch eine Glexchfrequentbewegung von Haupt- und Vorkammerkolben gewährleistet ist. Dabei ist die Ventilbetätigung zweckmäßigerweise so auszubilden, daß die Ventil vorrichtung 31 während des gesamten Spül Vorganges der Vorkammer 27 geöffnet ist. Mit 53 ist schließlich in der Figur 3 ein ebenfalls von der Nockenwelle 43 angetriebener Schwinghebel bezeichnet, der über einen ähnlich dem Kolben-

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trieb 29 ausgebildeten Ventiltrieb 54 das Einlaßventil 6 oder ein entsprechend ausgebildetes Auslaßventil betätigt. Dabei soll in der Zeichnung der Schwinghebel 53 hinter dem Schwinghebel 46 für die Ventilvorrichtung 3I liegen.

Prinsipiell wäre es auch möglich, den Zeitpunkt der Zündung der HauptkammeiLadung durch unterschiedliche Öffnungszeitpunkte der Ventilvorrichtung 3I zu verändern. Da bei einem gleichbleibenden Verdichtungsverhältnis in der Vorkammer die Selbstzündung in dieser stets zum gleichen Zeitpunkt stattfindet, müßte zur Steuerung der Zündting in der Hauptkammer dafür gesorgt werden, daß das Überströmen der verbrennenden Ladung aus der Vorkammer in die Hauptkammer durch unterschied-' lieh frühes öffnen der Ventilvorrichtung, beispielsweise infolge Betätigung durch entsprechend ausgebildete Nocken und Schwinghebel zu den erwünschten, unterschiedlichen Zeitpunkten erfolgt. Dabei ist die Schließfeder der Ventilvorrichtung im Gegensatz zu der Ausführung nach Figur 3 so kräftig ausgeführt, daß ein selbsttätiges Abheben durch den Verbrennungsdruck nicht auftreten kann. Eine Veränderung der Öffnungs- und Schließzeiten des Ventils könnte dadurch erreicht werden, daß der Ventilkörper, wie hier nicht dargestellt ist, auf einem Gewinde der Ventilbetätigungsstange mittels einer an einer Außenverzahnung angreifenden Zahnstange verdreht wird, wodurch das Ventilspiel und damit der Zeitpunkt des Eingriffs der Öffnungsrampe des Nockens an der Ventilvorrichtung verändert wird.

Die Figur 4 der Zeichnung zeigt schließlich über der Zeit bzw. dem Kurbelwinkel den Verlauf der Verdichtung mit den Kurven 60 bis 63 und die dazugehörigen Zustände des Verbindungsweges zwischen der Hauptkammer und der Vorkammer. Mit 60 ist dabei der Verdichtungsverlauf in der Hauptkammer gezeigt, bei dem im oberen Totpunkt der maximale Druck erreicht wird. Der mit ausgezogenen Linien gezeichnete Kurvenzug 61 gibt den Druckverlauf in der Vorkammer bei. einer Aus-

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führung gemäß der Figur 1 wieder, während der strichpunktierte Kurvenzug 62 den Druckverlauf in der Vorkammer nach der Figur und der mit unterbrochenen Linien gezeichnete Kurvenzug 63 den Druckverlauf in der Torkammer nach der in der Figur 3 gezeigten Ausführung darstellt. Dabei zeigt sich, daß bei den Ausführungen nach den Figuren 2 und 3 das Druckmaximum in der Vorkammer um einige Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt des Hauptkolbens erreicht wird, während nach der Ausführung nach Figur 1 die maximalen Drücke in der Vorkammer und in der Hauptkammer zur gleichen Zeit auftreten. Unter den Druckverlauf skurven ist der Zustand des Verbindungsweges zwischen der Vorkammer und der Hauptkammer gezeigt, das heißt es ist angedeutet, ob die'Verbindung geöffnet oder geschlossen ist. Dabei gehört der ausgezogene Linienzug 64 zu der Ausführung nach Figur 1, der strichpunktierte Linienzug 65 zu der Ausführung nach Figur 2 und der unterbrochene Linienzug 66 zu der Ausführung nach Figur 3· Je nach dem, ob sich die Linienzüge nun auf der Niveaulinie 6j oder auf der Niveaulinie 68 befinden, ist der Verbindungsweg zwischen der Vorkammer und der Hauptkammer geöffnet oder geschlossen, wie das neben den Niveaulinien 67 und 68 stehende Symbol andeutet. Während nun bei den Ausführungen nach den Figuren 1 und 2 durch das Eintauchen der Vorkammerkolben in die Vorkammern bei jedem oberen Totpunkt des Hauptkolbens eine Verdichtung in der Vorkammer stattfindet und die Verbindung zwischen der Vorkammer und der Hauptkammer dabei zunächst geschlossen und dann über die Aussparungen am Kolben und in der Hülse geöffnet werden, kann bei der Ausführung nach der Figur 3 die selbständig gesteuerte Ventilvorrichtung 31 so ausgebildet sein, daß die Verbindung allein während des Verdichtungstaktes der Haschine geschlossen ist.

Die wesentlichen Vorteile, die mit der Erfindung erzielt werden können, bestehen nun darin, daß durch die Verdichtung eines kleinen Teil der Zylinderladung, die im wesentlichen

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unabhängig von der Verdichtung des Hauptteils der Ladung verläuft und auch vor der Hauptladung gezündet wird, ein zweistufiger Verbrehnungsablauf wie bei den bekannten Schichtlademotoren erreicht wird. Die angestrebte niedrige "Reizschwelle" zum sicheren Entflammen des Vorkammergemisches, wird aber nicht wie bei diesen durch eine inhomogene oder kraftstoffreiche Ladung in der Vorkammer erreicht, sondern es wird die gleiche homogene, gegebenenfalls durch Inertgase verdünnte Ladung wie in der Hauptkammer durch zusätzliches oder ausschließliches Zuführen mechanischer Energie durch den getrennten Verdichtungsvorgang auf ein höheres, ja sogar auf ein überkritisches Energieniveau angehoben.

Die unabhängige Verdichtung in der Vorkammer bewirkt besonders dann, wenn dem Brennstoff-Luft-Gemisch zwecks Erniedrigung der Verbrennungstemperaturen Abgas bzw. Inertgase zugemischt wurden, durch die Energieerhöhung in der Vorkammer eine wesentliche Verbesserung des Zündverhaltens des Gemisches, was sich zunächst nur auf die in der Vorkammer enthaltene Ladung auswirkt, die jedoch bei ihrem übertreten in die Hauptkammer nach der Zündung eine sichere Entflammung der in der Hauptkammer vorhandenen Ladung gewährleistet. Dabei kann die Verdichtung in der Vorkammer bis zur Selbstzündung getrieben werden; es ist jedoch auch möglich, diesen besonders hoch verdichteten Gemischanteil durch eine Zündvorrichtung fremd zu zünden.

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Claims

Ansprüche

Λ Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit ^-' einem in eine Hauptkammer "and eine kleinere Torkammer unterteilten Arbeitsratini» wobei die Verbrennung der Arbeitsraumladung in der Vorkammer beginnt und danach über einen Verbindungsweg in die. Hauptkammer übertritt, dadurch gekennzeichnet» daß ein In der Vorkammer (7* 27) zumindest zeitweise eingeschlossener Teil eines homogenen Gesamtgemisches im wesentlichen unabhängig von dem Gemischteil in der Hauptkammer {4t 4¹) verdichtet wird und ' . daß nach der Zündung des Gemisches in der Vorkammer der zuvor verschlossene Verbindungsweg (12, 13; JO) zur Verbrennung des Gemisches in der Hauptkammer freigegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1_f dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch in der Vorkammer (7, 27) höher verdichtet wird als in der Hauptkammer (4t 4^r)·

3. Verfahren nach Anspruch 2_f dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch in der Vorkammer (7_f 27) bis zur Selbstzündung verdichtet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Verdichtiingsmaximum in der Vorkammer (7, 27) früher erreicht wird als in der Hauptkammer (4j 4')-

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■ 5«Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt der Öffnung des Verbindungsweges (12, 13$ 30) in Abhängigkeit von der Leistung und/oder der Drehzahl der Brennkraftmaschine gesteuert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5ι dadurch gekennzeichnet, daß in der Hauptkammer eine Ladungsbewegung erzeugt wird.

7· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem dem Arbeitsraum (4» 7? 4't 27) der Brennkraftmaschine zugeführten Gemisch aus Verbrennungsluft und Brennstoff Abgas bzw. Inertgas in gesteuerter Menge zugemischt wird.

8. Gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 betriebene Brennkraftmaschine mit einem in eine Haupt- und eine Vorkammer unterteilten Arbeitsraum, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorkammer (7, 27) ein die Verdichtung des darin eingeschlossenen Volumens bewirkender Kolben (11, 28) zugeordnet ist.

9· Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorkammerkolben (11, 28) in einem festen Verhältnis zur Kurbelwellendrehzahl aiitreibbax ist.

10. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 8 und 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkammer (7) durch einen im Zylinderkopf (3) liegenden, nach der Hauptkammer (4) hin geöffneten Raum gebildet ist, in den ein eus der Stirnfläche des der Hauptkammer zugeordneten Kolbens (2) herausragender Kolben (11) eintaucht.

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11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorkammerkolben (11) starr mit dem Hauptkammerkolben (2) verbunden ist.

12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorkarumerkolben (11) seitlich an der Pleuelstange (20) des Hauptkammerkolbens (2) angelenkt ist und durch eine Durchgangsbohrung (19) in der Stirnfläche des Hauptkammerkolbens dichtend hindurchgeführt ist.

15· Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß an der Mantelfläche des Vorkammerkolbens (11) eine sich in Längsrichtung erstreckende Ausnehmung (13) vorgesehen ist, die mit einer Aussparung (12) am Umfang der Vorkammer (7) zur Schaffung eines Verbindungsweges zwischen der Vorkammer und der Hauptkammer zusammenarbeitet.

14· Brennkraftmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkammer (7) durch eine in dem Zylinderkopf (3) drehbar angeordnete zylindrische Hülse-(8) mit einer am Innenumfang der Hülse angeordneten Aussparung (12) gebildet ist.

15· Brennkraftmaschine nach Anspruch 14» dadurch gekennzeichnet, daß eine der Aussparungen (12, 13) in Umfangsrichtung gesehen breiter als die andere ist und daß die breitere Aussparung eine schräge Steuerkante (I3¹) aufweist.

16. Brennkraftmaschine nach Anspruch I4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Drehung der Hülse (8) ein in Abhängigkeit von der Leistung und/oder der Drehzahl der

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Brennkraftmaschine betätigter Antrieb (14> 15)
vorgesehen ist.

17· Brennkraftmaschine.nach den Ansprüche 14 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Feder (18) zur
axial federnden Abstützung der Hülse (8) am Zylinderkopf (3) vorgesehen ist.

18. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 8 und 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkammer (27) durch
eine im Zylinderkopf (3¹) angeordnete zylindrische
Bohrung (26) gebildet ist mit einem zugeordneten,
über einen Antrieb (29) betätigten Kolben (28), und daß in einem die Vorkammer (27) mit der Hauptkammer (4¹) verbindenden Verbindungskanal (30) eine Absperrvorrichtung (31) vorgesehen ist,

19· Brennkraftmaschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrvorrichtung (31) durch ein über einen Nockenantrieb angetriebenes, federbelastetes Ventil gebildet ist.

20. Brennkraftmaschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorkammerkolben (28) Mittel zur
Veränderung der Kolbenendlage in der Vorkammer (27) aufweist.

21. Brennkraftmaschine nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel aus einem Antrieb (34» 35) zur Verdrehung des auf einem Gewinde (33) einer Kolbenbetätigungsstange (32) befestigten Kolbens (28) bestehen.

22. Brennkraftmaschine nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilschließfeder (48) derart ausge-

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legt ist, daß das Ventil (31) durch den in der
Vorkammer (27) erzeugten Verbrennungsdruck selbsttätig geöffnet wird.

23. BrennkraftmaBchine nach den Ansprüchen 18 und 19» dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungszeitpunkt .des Ventils (31) in Abhängigkeit von der Leistung und/oder der Drehaahl der Brennkraftmaschine steuerbar ist.

24· Brennkraftmaschine nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Öffnungszeitpunktes des Ventils (3I) Mittel zur Veränderung des Ventilspiels vorgesehen sind.

25. Brennkraftmaschine nach Anspruch 24» .dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (31) einen Ventilkörper und eine mit diesem durch ein Gewinde verbundene Ventilstange aufweist und daß ein
Antrieb zur Verdrehung des Ventilkörpers auf der Ventilstange vorgesehen ist.

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