DE2410803A1

DE2410803A1 - Mit ladungsschichtung betriebene, fremdgezuendete brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2410803A1
Application number: DE2410803A
Authority: DE
Inventors: Walter Brandstetter
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1974-03-07
Filing date: 1974-03-07
Publication date: 1975-09-11
Also published as: US3995604A

Description

VOLKSWAGEmffiRK Aktiengesellschaft

318 Wolfsburg

Unsere Zeichen: K I648
1702-pt-we-hr

. a 74

Mit Ladungsschichtung betriebene, fremdgezündete Brennkraftmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine mit Ladungsschichtung betriebene, fremdgezündete Brennkraftmaschine mit einem Hauptbrennraum und einer über einen Yerbindungskanal mit dem Hauptbrennraum in Verbindung stehenden Torkammer, der eine Kraftstoff-Zuführvorrichtung und eine Zündvorrichtung zur Zündung eines gegenüber der Hauptbrennladung reicheren, zündfähigen Kraftstoff-Luftgemisches zugeordnet sind.

Jremdgezündete 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

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jeweils günstigsten Betriebsbedingungen des Motors abgestimmt ist und aus einem mageren Gemisch oder sogar aus reiner Luft besteht.

Während nun mit der Schichtladung bisher der Tersuch unternommen wurde, eine zuverlässige Zündung der Zylinderladung auch innerhalb weiter Grenzen der Gesamtgemisch-Zusammensetzung sicherzustellen und darüber hinaus das Betreiben von Otto-Motoren mit höheren Verdichtungsverhältnissen ohne Erreichung der Klopfgrenze zu ermöglichen, wird in den Schichtladeverfahren heute vor allem ein möglicher Weg zur Eeduzierung der in den Abgasen der Brennkraftmaschine enthaltenen Schadstoffe, insbesondere der Stickoxide,gesehen.

Bei bekannten Ausführungen von mit Ladungsschichtung betriebenen Brennkraftmaschinen ist der Brennraum in einen von dem Kolben begrenzten Hauptbrennraum und eine mit dem Hauptbrennraum in Verbindung stehende Torkammer unterteilt. Dabei weist die Vorkammer eine beispielsweise in Form einer Zündkerze vorliegende Zündvorrichtung und eine Kraftstoff-Zuführeinrichtung, die entweder aus einer Kraftstoff-Einspritzdüse oder aus einem 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 vorhandenen₃kraftstoffreichen Ladungsteils die Flammenfront zur Verbrennung der restlichen, je nach Last kraftstoffarmen Zylinderladung in den Hauptbrennraum übertreten kann.

Beim Betrieb derartiger Brennkraftmaschinen ergeben sich nun insbesondere beim Kaltstart und in der Warmlaufphase Schwierigkeiten, da der Kraftstoff des in der Vorkammer vorhandenen vergleichsweise fetten Gemischs stark zur Kondensation an den kalten Brennraumwänden neigt, so daß sich in diesen Betriebsbereichen die Notwendigkeit ergibt, eine besonders große Menge an Kraftstoff zuzuführen, die dann nur schlecht verbrannt werden kann»

TTm diese Nachteile und Schwierigkeiten zu vermeiden, wird gemäß der Erfindung bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art

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vorgeschlagen, daß eine in die Vorkammer einmündende Hilfsansaugleitiing mit einer in Desorptionsrichtung geschalteten Filtervorrichtung verbunden ist, in der die in dem geschlossenen Kraftstoffsystem der Brennkraftmaschine gebildeten, gasförmigen Bestandteile adsorbiert sind. Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird also von einer bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen bereits "bekannten Filtervorrichtung Gebrauch gemacht, in der die 'gasförmigen Bestandteile des Kraftstoffsystems, d. h. aus dem Kraftstofftank und gegebenenfalls der Schwimmerkammer des Vergasers, adsorbiert werden. Indem nun diese Filtervorrichtung in Desorptionsrichtung geschaltet mit einer in die Vorkammer führenden Hilfsansaugleitung verbunden ist, wird nun erreicht, daß die in der Filtervorrichtung gebundenen, insbesondere leicht siedenden Kraftstoffbestandteile während des Saugtaktes in die Vorkammer gelangen, wo sie eine bessere und leichtere Zündung des Kraftstoff-Luftgemisches bewirken.

Zweckmäßigerweise ist der Hilfsansaugleitung ein an sich bekanntes, selbsttätig steuerndes Hilfs-Einlaßventil (Rückschlagventil) zugeordnet. Dieses Ventil erfordert keinen zusätzlichen Steuerungsmechanismus, da seine Schließfeder so ausgelegt ist, daß es selbsttätig durch den während des Ansaugtaktes sich einstellenden Unterdrück geöffnet und am Ende des Ansaugtaktes durch den ansteigenden Druck in der Vorkammer geschlossen wird.

Mit besonderem Vorteil wird ein derartiges Hilfs-Einlaßventil bei solchen mit Ladungsschichtung betriebenen Brennkraftmaschinen verwendet, bei denen die Kraftstoff-Zuführvorrichtung durch eine in die Vorkammer einmündende Kraft stoff-Einspritzdüse gebildet ist·, wobei das Hilfseinlaßventil zur Spülung der Vorkammer von bei der Verbrennung entstehenden Abgasresten vorgesehen ist. Bei ventillosen Vorkammern, denen der Kraftstoff durch Einspritzdüsen zugeführt wird, hat sich nämlich gezeigt, daß im Teillastgebiet bzw. bei starker Drosselung in der Vorkammer hohe Abgasrestanteile auftraten, die die Verbrennung ungünstig beeinflussen. Hier schafft das von der Erfindung vorgeschlagene, die Hilfsansaugleitung

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steuernde Hilfseinlaßventil Abhilfe, indem es durch selbstiätige, genau abgestimmte Öffnung während des Ansaugtaktes eine Spülung der Vorkammer bis auf einen gewünschten Abgasrestanteil gewährleistet, wobei gleichzeitig durch die Zuführung der leicht siedenden Kraftstoffbestandteile die Zündung und Verbrennung in der Vorkammer insbesondere bei Kaltstart - und Warmlaufbedingungen wesentlich erleichtert werden. Da die leicht siedenden, zusätzlich zu dem eingespritzten Kraftstoff zugeführten Kraftstoffbestandteite im wesentlichen nur während dieser besonderen Betriebsphasen benötigt werden, kann in der Hilfsansaugleitung auch eine Umschaltvorrichtung zur Umschaltung auf eine unter Umgehung der Filtervorrichtung direkt mit der Atmosphäre verbundene Luftleitung vorgesehen sein. Dabei kann die Umschaltung auf reine Luftansaugung beispielsweise nach Ablauf einer bestimmten Zeit nach der ersten Zündung der Brennkraftmaschine oder bei Erreichen eines bestimmten Betriebszustandes der Brennkraftmaschine vorgenommen werden.

Bei einer anderen Ausführung einer mit Ladungsschichtung betriebenen Brennkraftmaschine kann die Kraftstoff-Zuführvorrichtung durch einen in der Hilfsansaugleitung angeordneten- Hilfsvergaser zur Lieferung eines reichen Kraftstoff-Luftgemisches gebildet sein, wobei zweckmäßigerweise eine über die !Filtervorrichtung geführte Zweigleitung in Strömungsrichtung gesehen hinter dem Hilfsvergaser in die Hilfsansaugleitung einmündet.

Weitere Vorteile und die wesentlichen Merkmale der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung enthalten, die die in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellungsweise in

Figur 1 eine mit Sehichtladung betriebene Brennkraftmaschine, in deren mit einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung ausgerüsteten Vorkammer eine mit einem Adsorbtionsfilter verbundene Hilfseinlaßleitung einmündet und

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Figur 2 eine Schichtladungs-Brennkraftmaschine, in deren Vorkammer eine durch ein Hilfseinlaßventil gesteuerte Hilfsansaugleitung einmündet, die ein von einem Hilfsvergaser geliefertes reiches Kraftstoff-Luftgeraisch führt.

In der Figur 1 ist mit 1 eine Brennkraftmaschine bezeichnet, von der hier nur der Zylinderkopfbereich dargestellt ist. Die Brennkraftmaschine 1 weist einen oberhalb eines Kolbens 2 liegenden Hauptverbrennungsraum 5 sowie eine seitlich neben diesem liegende Vorkammer 4 auf, die über einen Verbindungskanal 5 mit dem Haupt brennraum 5 in Verbindung steht. Die Vorkammer 4 is ^ i*¹ äem gezeigten Ausführungs· beispiel etwa kugelförmig ausgebildet und umfaßt etwa 15 bis 35 i° des Volumens des gesamten Kompressionsraumes.

Außer dem Verbindungskanal 5 mündet ein Ansaugkanal 6 sowie ein hier nicht gezeigter Auslaßkanal in den Hauptverbrennungsraum 3 ein. Mit 7 ist ein den Ansaugkanal 6 steuerndes Einlaßventil bezeichnet, das ebenso wie ein ebenfalls hier nicht gezeigtes Auslaßventil von einer mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine in Verbindung stehenden Nockenwelle betätigt wird.

Bei der Ausführung der Brennkraftmaschine nach Figur 1 weist die Vorkammer 4 eine Zündvorrichtung in Form einer Zündkerze 8, eine Kraftstoff-Einspritzdüse 9 und eine durch ein Rückschlagventil 11 verschließbare Hilfsansaugleitung 10 auf. Die dem Rückschlagventil 11 zugeordnete Rückstellfeder ist dabei mit 12 angedeutet.

13 stellt ein von einer Steuervorrichtung I4 betätigbares Umschaltventil dar, das die Hilfsansaugleitung 10 entweder mit einer zu dem Luftfilter 16 führenden Luftansaugleitung I5 oder mit einer zu dem Adsorptionsfilter 18 führenden Leitung I7 verbindet. Das Adsorptionsfilter 18, das beispielsweise au3 aktivierter Holzkohle bestehen kann, steht einerseits über eine Luftleitung I9 mit dem Luftfilter 16 und andererseits über eine Leitung 20, in die ein Separator 21

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eingeschaltet ist, mit vorzugsweise der höchsten Stelle des den flüssigen Kraftstoff 23 enthaltenden Kraftstofftanks 22 in Verbindung. Mit 24 ist ein mittels eines Terschlusses 25 dicht absperrbarer Tankeinfüllstutzen bezeichnet.

In der in der Figur 2 gezeigten^in einigen Punkten abweichenden Ausführung einer mit Ladungsschichtung betriebenen Brennkraftmaschine sind für gleiche Bauteile die gleichen Bezugsziffern verwendet worden. Der wesentliche unterschied dieser Ausführung gegenüber derjenigen nach Figur 1 besteht dabei darin, daß anstelle einer ,Kraftstoffeinspritzdüse eine durch ein Hilfseinlaßventil 31 gesteuerte Hilfsansaugleitung 30 vorgesehen ist, über die ein von einem Hilfsvergaser 33 aufbereitetes, reiches Kraftstoff-Luftgemisch der Torkammer 4 zugeführt wird. Ein in der Hauptansaugleütung 6 vorgesehener Hauptvergaser 32 liefert dagegen ein je nach Belastungszustand der Brennkraftmaschine unterschiedliches, in jedem Fall aber armes Kraftstoff-Luftgemisch. Bei dieser Brennkraftmaschinen-Ausführung steht die Hilfsansaugleitung 30 über eine Abzweigleitung 34 mit dem Adsorbtionsfilter 18 in Verbindung, so daß bei geöffnetem Hilfseinlaßventil 31, das ebenso wie in der Figur 1 auch als Rückschlagventil ausgebildet sein kann, die zuvor in dem Adsorbtionsfilter 18 adsorbierten, leichtsiedenden Kraftstoffbestandteile des Kraftstofftanks 22 mit angesaugt werden.

Bachfolgend soll nun die Funktion und Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinen näher beschrieben werden. Während des Saugtaktes dieser Maschinen wird bei geöffnetem Einlaßventil 7 über die Ansaugleitung 6 ein je nach Belastungszustand der Brennkraftmaschine armes Kraftstoff-Luftgemisch oder sogar roine Luft in die Hauptbrennkammer 3 angesaugt. Die Zumischung einer entsprechenden Menge an Kraftstoff in die angesaugte Luft erfolgt entweder mit Hilfe eines Vergasers, wie dies in der Figur 2 durch den Hauptvergaser angedeutet ist oder aber bei spielsweise auch mit Hilfe einer Niederdruck-Kraft st off-Einspritzung in die Ansaugleitung 6.

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Während des Saugtaktes der Brennkraftmaschine ist zumindest zeitweise auch das in der Figur 1 mit 11 bzw. in der Figur 2 mit 31 bezeichnete Hilfseinlaßventil geöffnet, so daß ein in der Hilfsansaugleitung 10 bzw. 30 strömendes Gasvolumen in die Vorkammer 4 gelangen kann. Bei der in der Figur 1 gezeigten Maschinenausführung dient dieses Gasvolumen im wesentlichen der Spülung in der Vorkammer 4» ^so daß ä-ie von der vorausgegangenen Verbrennung herrührenden Abgasrestanteile im wesentlichen entfernt werden. Bei betriebswarmem Motor genügt es, die Ansaugleitung 10 mit der zum Luftfilter 16 führenden Luftansaugleitung 15 zu verbinden und somit reine Frischluft in die Vorkammer 4 anzusaugen.

Bei ungünstigeren Betriebsbedingungen, beispielsweise beim Kaltstart und in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine 1, soll diese Hilfsansaugleituiig 10 über die Leitung I7 mit dem Adsorptionsfilter verbunden sein. Das Adsorptionsfilter 18 nimmt dabei die in der Kraftstoffanlage, insbesondere in dem Kraftstofftank 22, durch Verdunstung und dergleichen entstehenden, leicht siedenden Kraftstoffbestandteile durch Adsorption an dem beispielsweise aus Aktivkohle bestehenden Filtermaterial auf und verhindert so ein Austreten dieser Bestandteile in die Atmosphäre. Zu diesem Zweck ist das Adsorptionsfilter 18 durch eine Leitung 20 unter Zwischenschaltung eines Separators 21 mit der höchsten Stelle des Kraftstofftanks 22 verbunden und der Einfüllstutzen 24 ist durch einen Verschlußdeckel 25 gasdicht verschlossen. Diese Adsorptionsfilter 18 haben die Eigenschaft, daß ihr Filtermaterial die gasförmigen Brennstoffbestandteile bei der Durchströmung in der einen Richtung, nämlich von der Leitung 20 zur Leitung I9 adsorbieren und bei Durchströmung in entgegengesetzter, durch den Pfeil 26 angedeuteter Richtung die adsorbierten Kraftstoffbestandteile wieder desorbieren. Eine derartige Strömungsrichtung tritt nun während des Ansaugtaktes bei geöffnetem Rückschlagventil 11 auf, uns zwar dann, wenn das umschaltventil I3 in der in der Zeichnung gezeigten Stellung stö±, in der die Ansaugleitung 10 mit der Leitung I7 verbunden ist. In dieser Stellung wird durch den in dem Brennraum anstehenden Unterdruck Luft über den

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Luftfilter 16, die Leitung 19, das Adsorptionsfilter 18, die Leitung 17 und die Hilfsansaugleitung 10 in die Vorkammer 4 S^e~ saugt, wobei dieser Luft die zuvor in dem Adsorptionsfilter 18 gebundenen, leicht siedenden Kraftstoffbestandteile zugemischt werden. Dadurch wird nun erreicht, daß in der Kaltstartphase und beim Warmlauf der Brennkraftmaschine die auch unter ungünstigeren Bedingungen leicht zündbaren und gut verbrennenden, gasförmigen Kraftstoffbestandteile in die Vorkammer geleitet werden, wo die Verbrennung der gesamten Brennraumladung durch Zündung mittels der Zündkerze 8 nach Einspritzen einer entsprechenden Menge Kraftstoff durch die Einspritzdüse 9 beginnt. Mach der Zündung wird zunächst der in der Vorkammer enthaltene Ladungsteil mit verhältnismäßig kraftstoffreicher Gemischzusammensetzung unter Luftmangel verbrannt und es entsteht eine durch den Verbindungskanal 5 in den Hauptbrennraum 3 hinübertretende Verbrennungsfront, welche die Verbrennung des dort befindlichen mageren Gemisches einleitet.

Nach Beendigung der Warmlaufphase, also wenn die Brennkraftmaschine ihre Betriebstemperatur erreicht hat, kann auf die Ansaugung der leicht siedenden Kraftstoffbestandteile aus dem Adsorptionsfilter 18 verzichtet werden, indem das in der Hilfsansaugleitung 10 beispielsweise vorgesehene Umschaltventil 13 von der Steuereinrichtung 14 so umgeschaltet wird, daß die Hilfsansaugleitung 10 mit der Luftleitung 15 verbunden ist. In dieser Stellung wird nur noch reine Luft zur Spülung der Vorkammer 4 über das Luftfilter 16 aus der Umgebung angesaugt. Die Steuervorrichtung I4, die das Umschaltventil 13 betätigt, könnte beispielsweise ein Zeitglied enthalten, das die Umschaltung des Umschaltventils nach Ablauf einer bestimmten Zeit seit dem Anlassen der Brennkraftmaschine bewirkt oder aber es kann auch ein bestimmtes Meßglied, beispielsweise ein die Kuhlwassertemperatur messender Temperaturfühler, vorgesehen sein, der bei Erreichen eines bestimmten Betriebszustandes ein Signal zur Umschaltung des Umschaltventils I3 abgibt.

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Bei der Ausführung der Brennkraftmaschine nach der Figur 2 ist anstelle einer direkt in die Vorkammer 4 einspritzenden Kraftstoffeinspritzdüse ein Hilfsvergaser 33 in der Hilfsansaugleitung 30 vorgesehen der ein verhältnismäßig reiches Kraftstoff- Luftgemisch erzeugt, das über das Hilfseinlaßventil 31 in die Vorkammer gelangt und dort von der Zündkerze 8 gezündet wird. Das Hilfseinlaßventil 3^ kann dabei in gleicher Weise wie das Haupteinlaßventil J in der EaupteinlaSleitung 6 über eine Nockenwelle betätigt werden; es kann jedoch auch als Rückschlagventil, ähnlich wie bei der Ausführung nach Figur 1 ausgebildet sein. Um nun das während^des Ansaugtaktes in die Vorkammer eingesaugte Kraftstoff-Luftgemiseh mit einem möglichst hohen Anteil an leicht siedenden Kraftstoffkomponenten anzureichern, ist die Hilfsansaugleitung 30 über eine Zweigleitung 34 ^m^ dem Adsorptionsfilter 18 verbunden, so daß während des Ansaugtaktes das Adsorptionsfilter 18 von einer über die Luftleitung 19 zu der Zweigleitung 34 i*¹ Desorptionsrichtung strömenden Luftmenge durchsetzt wird, wobei die zuvor adsorbierten, leicht siedenden Kraftstoffbestandteile mitgerissen werden. Diese Sumischung von leicht siedenden Kraftstoffbestandteilen erleichtert auch hier die Zündung und Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Vorkammer und verbessert damit ganz erheblich das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine.

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Claims

A I S P E υ G E Ξ

Mit Ladungsschichtung betriebene, fremdgezündete Brennkraftmaschine mit einem Hauptteennraum und einer über einen Verbindungskanal mit dem Eauptbrennraum in Verbindung stehenden Vorkammer, der eine Kraftstoff -Zuführvorrichtung und eine Zündvorrichtung zur Zündung eines gegenüber der Haupt br ennraumladung reicheren, zündfähigen Kraftstoff-Luftgemisches zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine in die Vorkammer (4) einmündende Hilfsansaugleitung (IG, 30 ) mit einer in Desorptionsrichtung geschalteten Filtervorrichtung (1S) verbunden ist, in der die in dem geschlossenen Kraftstoffsystem (22) der Brennkraftmaschine gebildeten, gasförmigen Bestandteile adsorbiert sind*
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsansaugleitung (i0, 30) ein selbsttätig steuerndes Hilfs -Einlaßventil (11, 31) zugeordnet ist.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoff-Zuführvorrichtung durch eine in die Vorkammer (4) einmündende Kraftstoffeinspritzdüse (9) gebildet ist, wobei das Hilfseinlaßventil (11) zur Spülung der Vorkammer von bei der Verbrennung entstehenden Abgasresten vorgesehen ist.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß in der Hilfsansaugleitung (1O) eine Umschaltvorrichtung (13, 14) zur Umschaltung auf eine unter Umgehung der Filtervorrichtung (18) direkt mit der Atmosphäre verbundene Luftleitung (15) vorgesehen ist.

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5· Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die I^aftstoff-Zuführvorrichtung durch einen in der Hilfsansaugleitung (30) angeordneten Hilfsvergaser (35) zur Lieferung eines reichen Kraftstoff-Luft-Gemisches gebildet ist und daß in Strömungsrichtung gesehen hinter dem Hilfsvergaser (33) eine über die Filtervorrichtung (18) geführte Zweigleitung (34) in die Hilfsansaugleitung (30) einmündet .

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