DE2341821A1

DE2341821A1 - I.C. engine with swirl chamber - has perforated disc of catalytic materials between swirl chamber and cylinder

Info

Publication number: DE2341821A1
Application number: DE19732341821
Authority: DE
Inventors: Helmut Boensch
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 1973-08-18
Filing date: 1973-08-18
Publication date: 1975-02-27

Abstract

The cylinder has a swirl chamber containing the spark plug opening off it. The exhaust valve and an air inlet valve open into the cylinder, the inlet valve being parallel to the swirl chamber. A third valve admits rich mixture to the swirl chamber. The swirl chamber is separated from the cylinder by a disc with holes through it joining the swirl chamber and cylinder. The disc is either made of or coated with catalytic material. The interposition of catalyst between swirl chamber and main combustion zone improves combustion efficiency and reduces pollution.

Description

BAYERISCHE MOTOREN WERKE AKTIENGESELLSCHAFT, 8 München 4oBAYERISCHE MOTOREN WERKE AKTIENGESELLSCHAFT, 8 Munich 4o

1o. August 19731o. August 1973

Gemischverdichtende Brennkraftmaschine mit LadungsschichtungMixture-compressing internal combustion engine with charge stratification

Bei bekannten gemischverdichtenden Brennkraftmaschinen mit Ladungsschichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sind zwischen den Einlaßöffnungen für Luft einerseits und für Gemisch andererseits gedrosselte oder ungedrosselte Querschnitte vorgesehen. Zwischen diesen Einlaßöffnungen treten während des Arbeitsablaufes der Brennkraftmaschine Je nach den gegebenen Verhältnissen mehr oder weniger intensive Strömungsbewegungen der Ladung auf, die zu einer teilweisen Vermischung der unterschiedlichen Teile der Ladung wenigstens in deren Übergangszonen führen. Solche Brennkraftmaschinen dienen dem Zweck durch Anwendung eines brennstoffarmen Gesamtmischungsverhältnisses der Ladung geringen Brennstoffverbrauch und niedrigen Gehalt von schädlichen Anteilen in den Abgasen zu erreichen, wie Kohlenmonoxyd, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Stickoxyde.In known mixture-compressing internal combustion engines with charge stratification according to the preamble of claim 1 are throttled or unthrottled cross-sections between the inlet openings for air on the one hand and for mixture on the other hand intended. Between these inlet openings occur during the work cycle of the internal combustion engine, depending on the given conditions more or less intense flow movements of the cargo, which leads to a partial mixing of the different parts of the cargo at least in their transition zones lead. Such internal combustion engines serve the purpose by using an overall low fuel mixture ratio the cargo low fuel consumption and low content of harmful components in the exhaust gases reach, such as carbon monoxide, unburned hydrocarbons and nitrogen oxides.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Gehalt von schädlichen Anteilen in den Abgasen durch einfache Mittel weiter zu senken. Diese Aufgabe löst die Erfindung durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 enthaltenen Merkmale.The object of the invention is to further reduce the content of harmful components in the exhaust gases by simple means. The invention solves this problem by the features contained in the characterizing part of patent claim 1.

Durch den mehrmaligen Durchtritt von Teilen der Ladung durch eine katalytisch wirksame Zwischenwand sowohl vor als auch nach der Zündung der Ladung, nämlich einerseits unverbranntes Gemisch am Ende des Saughubes, während des Verdichtungshubes und am Beginn des Expansionshubes sowie andererseits brennendes oder verbranntes Gemisch im weiteren Verlauf des Expansionshubes, während des Auspuffhubes und am Beginn des Saughubes, wird schon bei relativ geringer katalytischer Oberfläche derThrough the repeated passage of parts of the cargo through a catalytically active partition both in front of and after ignition of the charge, namely on the one hand unburned mixture at the end of the suction stroke, during the compression stroke and at the beginning of the expansion stroke and, on the other hand, a burning or burnt mixture in the further course of the expansion stroke, during the exhaust stroke and at the beginning of the suction stroke, is already at a relatively low catalytic surface

509809/0586 - 2 -509809/0586 - 2 -

Zwischenwand eine hohe Wirksamkeit derselben erreicht. Daneben kann durch zweckmäßige Ausgestaltungen und Anordnungen der Zwischenwand auch noch eine verringerte Vermischung der verschiedenen Teile der Ladung erreicht werden. Derartige Merkmale enthalten die Patentansprüche 2 bis 5.Intermediate wall achieved a high effectiveness of the same. In addition, through appropriate configurations and arrangements The partition wall also reduces the mixing of the different parts of the cargo. Such Features are contained in claims 2 to 5.

Den im Brennraum auftretenden Beanspruchungen durch Druck und Temperatur, die bei Brennkraftmaschinen mit Ladungsschichtung vergleichsweise besonders niedrig sind, am besten gerecht werdend,ist gemäß Patentanspruch 6 eine Zwischenwand bzw. eine Scheibe aus Monelmetall und gemäß Patentanspruch 7 deren Beschichtung mit Platin oder Palladium vorgesehen. Selbstverständlich können auch andere Träger - und/oder Katalysator-Materialien zur Anwendung gelangen, soweit sie ähnliche Voraussetzungen hinsichtlich Druck- und Hitzebeständigkeit aufweisen.The stresses occurring in the combustion chamber due to pressure and temperature, which is comparatively particularly low in internal combustion engines with charge stratification, is best suited becoming, according to claim 6 is a partition or a disk made of Monel metal and according to claim 7 they are coated with platinum or palladium. Of course, other support and / or catalyst materials can also be used are used insofar as they have similar requirements in terms of pressure and heat resistance exhibit.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.Two exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 einen Auschnitt einer gemischverdichtenden Viertakt-Brennkraftmaschine mit Ladungsschichtung, drei Ventilen im Zylinderkopf, Haupt- und Nebenbrennkammer und einem Katalysator-Scheibeneinsatz zwischen Haupt- und Nebenbrennkammer im Zylinderkopf im Schnitt nach der Linie I-I in Fig. 2,1 shows a section of a mixture-compressing four-stroke internal combustion engine with charge stratification, three valves in the cylinder head, main and secondary combustion chamber and a catalytic converter disk insert between the main and secondary combustion chambers in the cylinder head in section the line I-I in Fig. 2,

Fig. 2 die Innenansicht der zylinderkopfseitigen Brennraumwandung gemäß Fig. 1,FIG. 2 shows the interior view of the cylinder head-side combustion chamber wall according to FIG. 1,

Fig. 3 einen Katalysator-Scheibeneinsatz gemäß Fig. 1 in Form einer Lochscheibe,3 shows a catalyst disk insert according to FIG. 1 in the form of a perforated disk,

Fig. 4 den Schnitt druch den Katalysator-Scheibeneinsatz nach Fig. 3,FIG. 4 shows the section through the catalytic converter disk insert according to FIG. 3,

509809/0586509809/0586

Fig. 5 den Schnitt gemäß Fig. 4 mit abgewandelter Gestaltung der Lochscheiben-Durchtrittsöffnungen und5 shows the section according to FIG. 4 with a modified design of the perforated disk passage openings and

Fig. 6 den Schnitt durch eine andere Ausführung einer gemischverdichtenden Viertakt-Brennkraftmaschine mit Ladungsschichtung, zwei Ventilen im Zylinderkopf, zusätzlichen Einlaßöffnungen im Zylinder nahe der inneren Kolbentotlage und einem Katalysator-Scheibeneinsatz im Zylinder zwischen äußerer Kolbentotlage und den Ventilen.6 shows the section through another embodiment of a mixture-compressing one Four-stroke internal combustion engine with charge stratification, two valves in the cylinder head, additional inlet openings in the cylinder near the inner piston dead center and a catalyst disc insert in the cylinder between the outer piston dead position and the valves.

Nach den Fig. 1 und 2 weist ein Zylinderkopf 1 je ein Einlaßventil 2, ein Auslaßventil 3 und ein Gemischeinlaßventil 4 auf, die eine V-förmige Anordnung bilden. Dabei liegen da» Einlaßventil 2 und das Gemischeinlaßventil 4 parallel zueinander. Von den Ventilen 2, 3 und 4 erstrecken sich Gaswechselkanäle beiderseits nach außen aus dem Zylinderkopf 1. Im Zylinderkopf 1 ist ein von den Ein- und Auslaßventilen 2 und 3 sowie von einem Kolben 6 und einem Zylinder 6¹ begrenzter Hauptbrennraum 7 angeordnet, der im wesentlichen eine dachförmige Gestaltung aufweist. Aus diesem Hauptbrennraum 7 erstreckt sich gleichachsig und in Richtung des Gemischeinlaßventiles eine rotationskörperförmige Nebenbrennkammer 8 bis zu dessen Ventilteller 4·. Seitlich ragt in diese Nebenbrennkammer 8 eine Zündkerze 9. Die Nebenbrennkammere ist durch eine Zwischenwand 1o mit Durchtrittsöffnungen 11 in Form eines Lochscheibeneinsatzes von der Hauptbrennkammer 7 getrennt. Diese Zwischenwand 1o besteht aus hoch-hitzebestlndigem und ggf. katalytischem Material, wie beispielsweise Monelmetall, und/oder weist eine Beschichtung aus katalytischem Material,wie beispielsweise Platin oder Palladium, auf.According to FIGS. 1 and 2, a cylinder head 1 has an intake valve 2, an exhaust valve 3 and a mixture intake valve 4, which form a V-shaped arrangement. The inlet valve 2 and the mixture inlet valve 4 are parallel to one another. From the valves 2, 3 and 4, gas exchange ducts extend on both sides outward from the cylinder head 1. In the cylinder head 1 there is a ^{main combustion chamber 7 delimited by the inlet and outlet valves 2 and 3 and a piston 6 and a cylinder 6 1} , which is located in the essentially has a roof-shaped design. A rotational body-shaped secondary combustion chamber 8 extends out of this main combustion chamber 7 coaxially and in the direction of the mixture inlet valve up to its valve disk 4 ·. A spark plug 9 protrudes laterally into this secondary combustion chamber 8. The secondary combustion chamber is separated from the main combustion chamber 7 by an intermediate wall 1o with passage openings 11 in the form of a perforated disk insert. This partition wall 1o consists of highly heat-resistant and possibly catalytic material, such as Monel metal, and / or has a coating of catalytic material, such as platinum or palladium.

Beim Betrieb der Brennkraftmaschine wird durch den nicht dargestellten Einlaßkanal rum Einlaßventil 2 rein· oder mindestens brennstoffarme Luft zugeführt, die mengenmäßig den Hauptanteil der Ladung der Brennkraftmaschine bildet. DurchDuring operation of the internal combustion engine is not shown by the Inlet channel around inlet valve 2 pure · or at least fuel-poor air supplied, which in terms of quantity Forms the main part of the charge of the internal combustion engine. By

- 4 509809/0586 - 4 509809/0586

den relativ engen Gaswechselkanal 5 zum Teller 4' des Gemischeinlaßventiles 4 wird dagegen brennstoffreiches Brennstoffluftgemisch durch die Nebenbrennkammer 8 und die Durchtritts öffnungen 11 der Zwischenwand 1o in den Hauptbrennraum 7 geleitet. Durch Abstimmen der Steuerzeiten der durch gesonderte von einer Nockenwelle betätigten Ventile 2 und 4 und durch ggf. zeitlich abgestimmtes Zuführen des Brennstoffes in den zum Gemischeinlaßventil 4 führenden Gaswechselkanal läßt sich für jede Drehzahl der Brennkraftmaschine erreichen, daß stets ein zündfähiges Gemisch zum Zündzeitpunkt in der Nebenbrennkammer 8 bzw. im Bereich der dort angeordneten Zündkerze 9 zu Verfügung steht. Nach dem Zünden des in der Nebenbrennkammer 8 befindlichen Ladungsteiles greift die auftretende Flammenfront durch die Zwischenwand 1o auf die brennstoffarmen Ladungsteile im Hauptbrennraum 7 über. Der hohe Luftanteil in der Ladung führt zu einer weitestgehend volkommenen Verbrennung des Brennstoffes, eodaß durch das Auslaßventil 3 nach Beendigung des Arbeitstaktes ein Abgas ausgestoßen wird, das praktisch frei von giftigen und sonstigen schädlichen Rückständen ist.the relatively narrow gas exchange channel 5 to the plate 4 'of the mixture inlet valve 4, on the other hand, becomes a fuel-rich fuel-air mixture through the secondary combustion chamber 8 and the passage openings 11 of the intermediate wall 1o into the main combustion chamber 7 headed. By coordinating the control times of the valves 2 and 4, which are actuated separately by a camshaft and by feeding the fuel into the gas exchange channel leading to the mixture inlet valve 4, if necessary, in a timed manner it can be achieved for every speed of the internal combustion engine that there is always an ignitable mixture at the ignition point in the Secondary combustion chamber 8 or in the area of the spark plug 9 arranged there is available. After igniting the in the secondary combustion chamber 8 located part of the charge engages the occurring flame front through the partition 1o on the fuel-poor Parts of the load in the main combustion chamber 7 over. The high proportion of air in the cargo leads to a largely perfect Combustion of the fuel, so that exhaust gas is expelled through the exhaust valve 3 after the end of the work cycle, which is practically free of toxic and other harmful residues.

Der Brennstoff wird durch mehrmaliges Durchströmen von Ladungsteilen durch die katalytisch wirksame Zwischenwand 1o bzw. durch Berühren der Oberfläche derselben für die weitestgehend vollkommene Verbrennung aufbereitet. Die durch die Nebenbrennkammer 7 während des Saughubes eintretenden brennstoffreichen Ladungsteile strömen nämlich zu einem Großteil zunächst durch die Durchtrittsöffnungen 11 der vom vorhergegangenen Verbrennungsvorgang erhitzten Zwischenwand 1o. Beim folgenden Verdichtungshub werden diese Ladungsteile wenigstens teilweise wieder durch die Zwischenwand 1o unter nochmaligem Berühren der katalytischen Oberfläche derselben, jedoch von teilweise anderen Anteilen dieses Ladungsteiles, in die Nebenbrennkammer 8 zurückgeschoben. Während des Verbrennungsvorganges und Arbeitshubes wird sodann unmittelbar nach der Zündung der Ladung ein noch unverbrannter Ladungsteil ein drittes Mal ui ·, anschließend brennende, teilverbrannte und verbrannte Lidun^oteile durch >lie Zwischenwand in den Jl fbrennraura n* _; ',.The fuel is prepared for largely complete combustion by repeatedly flowing through parts of the charge through the catalytically active partition wall 1o or by touching the surface of the same. The fuel-rich parts of the charge entering through the secondary combustion chamber 7 during the suction stroke flow to a large extent initially through the passage openings 11 of the partition wall 1o heated from the previous combustion process. During the following compression stroke, these parts of the charge are at least partially pushed back into the secondary combustion chamber 8 through the intermediate wall 1o, again touching the catalytic surface of the same, but partly by other parts of this part of the charge. During the combustion process and working stroke is then immediately after the ignition of the charge an even unburned charge part a third time ui, then burning, some burned and burned Lidun ^ oteile by> lie partition in Jl fbrennraura n _*; ',.

5 0 S h Ü 9 / 0 b Π ft5 0 S h Ü 9/0 b Π ft

Schließlich werden auch während des Auspuffhubes und zu Beginn des Saughubes noch weitere verbrannte Ladungsteile durch die Zwischenwand 1o bewegt, wobei jedesmal ein Kontakt eines Teiles dieser Ladungsteile mit der katalytischen Oberfläche der Zwischenwand 1o eintritt. Durch Beschichtung wenigstens eines Teiles der Wandungen des Hauptbrennraumes 7 und/oder der Nebenbrennkammer 8 und/oder der Oberfläche des Kolbens und/oder der Ventile 2, 3 und 4 mit katalytischem Material kann eine weitere Steigerung dieser Funktionen erreicht werden. Finally, during the exhaust stroke and at the beginning of the suction stroke, other burnt parts of the load are also carried through the intermediate wall 1o moves, each time a contact of a part of these charge parts with the catalytic surface the partition 1o enters. At least by coating part of the walls of the main combustion chamber 7 and / or the secondary combustion chamber 8 and / or the surface of the piston and / or the valves 2, 3 and 4 with catalytic material, a further increase in these functions can be achieved.

Durch das oftmalige Berühren der katalytischen Oberfläche der Zwischenwand 1o und ggf. anderer Begrenzungsflächen der Hauptbrennkammer 7 und der Nebenbrennkammer 8 wird die vollständige Verbrennung der Ladung und die Vermeidung von Kofelenmonoxyd- und bestimmten Kohlenwasserstoff-Anteilen zu einem noch höheren Prozentsatz gewährleistet, als dies durch andere Maßnahmen, wie z.B. durch die ebenfalls hierbei zur Wirkung kommende Ladungsschichtung, bereits erfolgt. Durch die Kombination mehrerer Verbrennungsvorgänge unmittelbar in den Brennräumen der Brennkraftmaschine, nämlich der Verbrennung von magerem, normalem und fettem Brennstoff-Luftgemisch sowie der katalytisch begünstigten Verbrennung, wird durch besonders einfache Maßnahmen eine erhebliche Steigerung der Anteile vollständig verbrannter bzw. gift- und schadstoffreier Verbrennungsprodukte erreicht. Nachbehandlungen der Abgase können dadurch entfallen oder zumindest auf ein erheblich verringertes Maß bzw. auf Verbrennungsprodukte beschränkt werden, die in den Brennräumen nicht katalytisch aufbereitbar sind.By frequently touching the catalytic surface of the partition wall 1o and possibly other boundary surfaces of the The main combustion chamber 7 and the secondary combustion chamber 8 ensure complete combustion of the charge and the avoidance of Kofelenmonoxyd- and certain hydrocarbon proportions are guaranteed to an even higher percentage than others Measures, such as the charge stratification, which also takes effect here, have already taken place. Through the Combination of several combustion processes directly in the combustion chambers of the internal combustion engine, namely combustion of lean, normal and rich fuel-air mixture as well as the catalytically favored combustion, is through special simple measures a considerable increase in the proportion of completely burned or non-toxic and pollutant-free combustion products achieved. Aftertreatment of the exhaust gases can thus be dispensed with or at least considerably reduced Degree or limited to combustion products that cannot be catalytically processed in the combustion chambers.

Aus den Fig. 3 bis 5 ist die Zwischenwand 1o in Form eines Katalysator-Scheibeneinsatzee in gegenüber Fig. 1 und 2 vergrößertem Maßstab ersichtlich. Die Durchtrittsöffnungen 11 sind dabei in konzentrischen Kreisen angeordnet, wobei sowohl auf eine möglichst große katalytisch wirksame Oberfläche einerseits als auch auf eine weitgehend unbehinderte Wärmeableitung aus dem mittleren Bereich der Scheibe zu der mit der Brennraumwandung 3 to 5, the partition wall 1o is in the form of a Catalyst disk inserts in an enlarged compared to FIGS. 1 and 2 Scale visible. The passage openings 11 are arranged in concentric circles, with both on the largest possible catalytically active surface on the one hand and on a largely unhindered heat dissipation from the middle area of the disc to that with the combustion chamber wall

509809/0586 - 6 -509809/0586 - 6 -

in Berührung stehenden zylindrischen Außenumfangsfläche geachtet ist.in contact with the cylindrical outer circumferential surface is respected.

Die Fig. 4 und 5 zeigen ferner die Möglichkeit, durch unterschiedliche Form und Verlauf der Durchtrittsöffnungen 11 eingeschnürt (Fig. 5) und fächerförmig (Fig. 6) - einerseits die Oberflächengröße und andererseits den Strömungsverlauf der durchtretenden Ladungsteile zu beeinflußen.4 and 5 also show the possibility of different The shape and course of the passage openings 11 constricted (FIG. 5) and fan-shaped (FIG. 6) - on the one hand To influence the surface area and, on the other hand, the flow course of the cargo parts passing through.

Bei der Brennkraftmaschine gemäß Fig. 6 sind in Abweichung von den Fig. 1 und 2 im Zylinderkopf 1o1 Je ein Gemischeinlaßventil 1o4 und ein Auslaßventil 1o3 angeordnet. Für den Eintritt reiner oder brennstoffarmer Luft sind über der inneren Totlage des Kolbens 1o6 Einlaßöffnungen 1o2 im Zylinder 1o6' vorgesehen, die vom Kolben 1o6 übersteuert und mittels eines Membran-Rückschlagventiles 1o2' gegen Rückströmungen verschlossen werden. Nahe der äußeren Totlage (strichliert) des Kolbens 1o6 ist im Zylinder 1o6* entsprechend Fig. 1 und 2 eine Zwischenwand 11o mit Durchtrittsöffnungen 111 und katalytischer Oberfläche angeordnet.In the case of the internal combustion engine according to FIG. 6, there are deviations 1 and 2 in the cylinder head 1o1 each have a mixture inlet valve 1o4 and an outlet valve 1o3 arranged. For the entry of clean or fuel-poor air are above the inner Dead position of the piston 1o6 inlet openings 1o2 in the cylinder 1o6 'provided, which are overridden by the piston 1o6 and by means of a Diaphragm check valve 1o2 'closed against backflow will. Near the outer dead center (dashed line) of the piston 1o6 is in the cylinder 1o6 * according to FIGS. 1 and 2 an intermediate wall 11o with passage openings 111 and catalytic Surface arranged.

Auch hierbei strömen Ladungsteile, insbesondere brennstoffreiches Gemisch aus dem Gemischeinlaßventil 1o4, teilweise verbrannte und brennende sowie verbrannte Ladungsteile mehrfach durch die Zwischenwand 11o, was zu einer vollständigen Verbrennung der Ladungsteile führt.Here, too, parts of the charge, in particular a fuel-rich mixture, partially flow out of the mixture inlet valve 1o4 burnt and burning as well as burnt parts of the load repeatedly through the partition wall 11o, resulting in a complete Combustion of the parts of the load.

Patentansprüche;Claims; 509809/0586509809/0586

Claims

Claims ii

ι Λ J Mixture-compressing internal combustion engine with charge stratification, in which part of the charge as at least approximately fuel-free air through one or more controlled inlet openings on the piston crown in one of its dead spots adjacent to it and another part of the charge as a fuel-rich mixture through one or more additional inlet openings a limitation of the compression chamber opposite the piston head in its outer dead center is introduced, characterized in that between the inlet openings for air (inlet valve 2 or inlet openings 1o2) on the one hand and for mixture (mixture inlet valve 4 or 1o4) on the other hand, one with passage openings (11 or 111) provided, consisting entirely or partially of catalytic material and / or coated with such material, intermediate wall (1o) is arranged in the compression chamber.

2. Internal combustion engine according to claim 1, with at least one inlet valve for mixture in the boundary of the compression area and inlet windows for air in the cylinder wall above the inner dead center of the piston head, characterized in that the partition (11o) as a disk insert with the bore of the cylinder (1o6 ^f ) is designed with a corresponding diameter and is fastened close to the outer dead position of the piston (1o6) approximately parallel to this cylinder.

3. Internal combustion engine according to claim 1, with a to a main combustion chamber subsequent secondary combustion chamber, wherein an inlet opening with a mixture inlet valve in the secondary combustion chamber opens and a further inlet opening with a further inlet valve for air opens into the main combustion chamber, characterized in that that the partition (1o) is arranged in the area of the transition from the main combustion chamber (7) to the secondary combustion chamber (8) ' is.

509809 / 05H6

4. Internal combustion engine according to claim 3, characterized in that that the partition (1ο) as a disk insert with the opening the secondary combustion chamber (8) to the main combustion chamber (7) formed corresponding to the diameter and parallel as well coaxial with the mixture inlet valve (4) designed as a poppet valve (poppet 4 ') on the wall of the cylinder head (1) is attached.

5. Internal combustion engine according to claims 2 or 4, characterized in that the intermediate wall (1o) and / or a this surrounding support ring held by means of shrink fastening is.

6. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 5, characterized characterized in that the partition (1o) consists of Monel metal.

7. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 6, characterized in that the intermediate wall (1o) with platinum or Palladium is coated.

509 *. 09/0586

Blank page