DE2506954A1

DE2506954A1 - Verbrennungsmotor mit geschichteter ladung

Info

Publication number: DE2506954A1
Application number: DE19752506954
Authority: DE
Inventors: Pierre Cochard; Claude Henault
Original assignee: Automobiles Peugeot SA; Renault SAS
Current assignee: Automobiles Peugeot SA; Renault SAS
Priority date: 1974-02-21
Filing date: 1975-02-19
Publication date: 1975-09-04
Also published as: US3970054A; IT1027484B; JPS50119104A; DE7505002U; GB1454723A; JPS5327402B2

Description

Patentanwalt DIPL.-PHYS. DR. W. LANGHOFF Rechtsanwalt B. LANGHOFF*

MÜNCHEN 81 ■ Wl SSMANNSTRASSE 14 TELEFON 932774 · TELEGRAMMADRESSE: LANGHOFFPATENT MÜNCHEN

München, den .19.. Februar 1975 Unser Zeichen : 4 6 - 1526

REGIE NATIONALE DES USINES RENAULT, 8-10 Avenue Emile Zola 92109 Boulogne-Billancourt, Frankreich

AUTOMOBILES PEUGEOT S.A., 75 Avenue de la Grande Armee, 75016 Paris, Frankreich

Verbrennungsmotor mit geschichteter Ladung

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit geschichteter Ladung, die einen armen Hauptladungsteil aus einem ersten Brennstoff und Luft aufweist, sowie einen zweiten Ladungsteil, der einen zweiten Brennstoff enthält, vorzugsweise Wasserstoff.

Eine geschichtete Ladung in einem Verbrennungsmotor ist eine Ladung, welche wenigstens einen Bereich enthält, in dem das Brennstoff gemisch zündfähig ist. Die Zündfähigkeit hängt dabei ab vom homogenen Mischungsverhältnis von Luft zu Brennstoff bei einer gegebenen Temperatur und bedeutet, daß sich in dem Brennstoffgemisch eine Flamme von einem Zündpunkt mit oder ohne Zuführung äußerer

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Energie, z.B. von einem Zündfunken, ausbreiten kann.

Es sind bereits vielfache Versuche unternommen worden, um Verbrennungsmotoren mit geschichteter Ladung zu schaffen unter Verwendung von flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen, jedoch ließ sich bisher keine wirksame Schichtung der Ladung erreichen. Eine derartige Schichtung besteht darin, in der Zündzone ein Ladungsgemisch zu schaffen, welches ein für die Verbrennung richtiges Mischungsverhältnis aufweist, wobei die durch die Verbrennung in der Zündzone erzeugte Energie ausreicht/ um die Ausbreitung der Flamme in den übrigen Teil der Ladung zu gewährleisten.

Bei Verwendung von flüssigen Kohlenwasserstoffen als Brennstoff ist das optimale Mischungsverhältnis von Luft zu Brennstoff etwa 15 : 1 für eine gute Zündfähigkeit, etwa für übliche Funkenzündungen. Es ist auch bekannt, daß jenseits eines Verhältnisses von 18: 1 die Zündfähigkeit abnimmt und eine Zündung nur noch durch eine Flamme gesichert ist.

Die Verwendung eines Brennstoffgemisches aus Luft und einem üblichen flüssigen Brennstoff erfordert eine lange Aufbereitungszeit, da zur Entflammung des Gemisches drei Phasen unbedingt erforderlich sind, nämlich:

- die Verdampfung des flüssigen Brennstoffes oder auch die Zerstäubung,

die Homogenisierung des Gemisches, und die Erhöhung der Temperatur des Gemisches, bis auf einen Wert, der eine Flammausbreitung sicherstellt.

Da die Aufbereitungszeit im Vergleich zu der durch die Drehzahl des Motors bestimmten Umdrehungszext lang ist, muß die Erzeugung eines bis in die Nähe des stöchiometrischen Verhältnisses angereicherten Ladungsteils genügend schnell stattfinden, um die drei

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vorgenannten Bedingungen zu schaffen. Unter diesen Umständen ist es sehr schwierig, eine Vermischung der beiden Ladungsteile, die ja aneinandergrenzen, und also eine Anreicherung des armen Ladungsteils und eine Verarmung des angereicherten Ladungsteils zu vermeiden.

Eine weitere Schwierigkeit besteht in der unzulänglichen Verdampfung und Homogenisierung wegen der begrenzten zur Verfügung stehenden Zeit bei Verbrennungsmotoren mit Brennstoffeinspritzung in die Zylinder.

Die mangelhafte Verdampfung und Homogenisierung sind verantwortlich für die Schwierigkeiten, die bei Dieselmotoren auftreten, bei denen Einspritzdrücke von mehr als 150 Bar zum Zerstäuben des Brennstoffes erforderlich sind. Wegen mangelhafter Homogenisierung läßt sich kein Betriebsbereich mit voller Ladung erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor mit geschichteter Ladung zu schaffen, der eine schnelle Bildung ei-. ner zündfähigen und homogenen Ladungszone ergibt und mit einem flüssigen Kohlenwasserstoff als Hauptbrennstoff betrieben wird.

Die Lösung dieser Aufgabe ist gegeben durch eine in der Zündzone mündende Einspritzvorrichtung für einen zweiten Brennstoff, insbesondere Wasserstoffgas, zum Herstellen eines zündwilligeren Ladungsgemisches in der Zündzone unmittelbar vor der Zündung.

Der Vorteil bei der Verwendung von Wasserstoff zum Herstellen einer angereicherten Gemischschicht besteht darin, daß Wasserstoff gasförmig ist und mit Luft in einem weiten Bereich des Mischungsverhältnisses, nämlich von etwa 4 bis 75% Wasserstoffanteil in Luft zündfähig ist. Andererseits behält Wasserstoffgas in Gegenwart von Luft auch seine charakteristische Zündwilligkeit, wenn noch andere Brennstoffe zugegen sind.

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Aufgrund dieser Umstände kann eine Mischung von Luft und Wasserstoff im Bereich des stöchiometrischen Verhältnisses nicht durch Diffusion oder dgl. bis auf ein zündunwilliges Mischungsverhältnis sich verändern.

Die unabhängige Einspritzung von Wasserstoff kann dabei ohne wesentliche Vorsichtsmaßnahmen hinsichtlich der Dosierung erfolgen und ergibt trotzdem ein zündwilliges und vollständiges verbrennbares Gemisch in der Zündzone, wobei die Zündung mittels von außen zugeführter Energie oder durch Selbstentzündung erfolgen kann.

Im Betrieb kann sich mit der Zeit eine Veränderung der Einspritzvorrichtung für den gasförmigen Brennstoff ergeben, wodurch die Zuverlässigkeit der Einspritzvorrichtung verringert und diese sogar funktionsuntüchtig werden kann. Es ist daher günstig, die Einspritzvorrichtung während der Explosionsphase durch einen zeitlich wirksamen Verschluß abzudecken, z.B. ein Kugelventil. Kugelventile weisen im allgemeinen eine Feder auf, um die Kugel in die Schließstellung zu drücken, meistens eine Schraubenfeder, und sind aufgrund dieser Konstruktion gegen Stöße und wiederholte Wärmebeanspruchungen empfindlich.

Die Einspritzvorrichtung nach der Erfindung vermeidet in einer Weiterbildung diesen Nachteil dadurch, daß die Einspritzvorrichtung eine Einspritzdüse umfaßt, die ein Kugelventil enthält, deren Kugel mit Spiel zwischen einem an den Brennraum angrenzenden strömungsdurchlässigen Rückhalteteil und einem in Strömungsrichtung davor liegenden Ventilsitz frei beweglich ist. Dadurch wird die Einspritzdüse in der Explosionsphase vor dem Gasdruck geschützt.

Vorzugsweise ist der Ventilsitz an dem Gehäuse der Einspritzdüse fest, und das Rückhalteteil bildet ein Plättchen, das in eine die Kugel aufnehmende Bohrung fest eingesetzt ist und an einer brennraumseitigen Schulter aufsitzt.

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Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen ergänzend beschrieben.

Fig. 1 ist ein Schnitt durch den oberen Teil eines Zylinders eines Verbrennungsmotors entlang der Linie I-I von Fig. 2;

Fig. 2 ist eine Draufsicht auf den Zylinderkopf in Richtung der Pfeile II-II von Fig. 1;

Fig. 3 ist ein Axialschnitt durch den oberen Teil eines Zylinders entlang der Linie III-III von Fig. 4;

Fig. 4 ist eine Draufsicht auf den Zylinderkopf entlang der Linie IV-IV von Fig. 3;

Fig. 5 ist ein Axialschnitt durch eine Einspritzdüse entsprechend der Ebene V-V von Fig. 6, und

Fig. 6 ist ein Querschnitt entsprechend der Ebene VI-VI von Fig. 5.

Fig. 1 zeigt den oberen Teil des Zylinders eines Verbrennungsmotors mit einem Einlaßkanal 1, der durch ein Einlaßventil. 2 verschließbar ist und den Haupteinlaß für ein Gemisch aus Luft und flüssigem Kohlenwasserstoff bildet, das in einen Verbrennungsraum 3 angesaugt wird.

In eine Bohrung des Zylinderkopfes 5 ist eine Zündkerze 4 eingesetzt. Eine weitere Bohrung in dem Zylinderkopf nimmt eine elektromagnetische Einspritzdüse 6 auf, die von einem Entspannungsventil 7 über ein Rohr aus einem Vorratsbehälter 9 mit Wasserstoff gespeist wird.

Fig. 2 zeigt die Unterseite des an den Verbrennungsraum angrenzenden Zylinderkopfes mit dem Einlaßventil 2 und einem Auslaßventil 10, der'Zündkerze 4 sowie der elektromagnetischen Einspritzdüse 6.

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Die Figuren 3 und 4 zeigen eine abgeänderte Ausführungsform eines Verbrennungsmotors, bei der der Verbrennungsraum 3 über einen Kanal 11 mit einer Vorkammer 12 in Verbindung steht, in die die Zündkerze 4 und die elektromagnetische Einspritzdüse 6 münden.

Bei beiden Ausführungsformen wird ein Gemisch aus Luft und flüssigem Kohlenwasserstoff auf übliche Weise hergestellt, etwa mittels eines Vergasers, und sodann durch den Einlaßkanal 1 als brennstoffarmes Gemisch, d.h. mit einem Luft:Brennstoffverhältnis unterhalb des stöchiometrischen Wertes, etwa von 22:1, in den Verbrennungsraum 3 angesaugt. Beim Durchtritt durch das Einlaßventil 2 erfolgt dabei eine weitere Zerstäubung und Verdampfung.

Während des Verdichtungshubes wird Wasserstoffgas durch die elektromagnetische Einspritzdüse 6 in die Nähe der Zündkerze 4 eingeblasen, das aus dem Vorratsbehälter 9 stammt. Sobald ein Zündfunke an der Zündkerze auftritt, entflammt die wasserstoffhaltige Ladungsschicht in der Nähe der Zündkerze und setzt durch die dabei frei werdende Energie die Verbrennung des brennstoffarmen Hauptladungsteils in Gang.

Die Menge des eingespritzten Wasserstoffes muß genügend groß sein, um in der Nähe der Zündkerze ein Gemisch zu erzeugen mit einem Wasserstoffanteil von wenigstens 10 Volumenprozent. Es genügt, wenn diese Wasserstoffkonzentration lediglich in einem Raumanteil von 15 - 20% des Verbrennungsraumes vorhanden ist, um eine Zündung und Flammausbreitung des restlichen Ladungsteils zu gewährleisten.

Für einen Verbrennungsmotor mit 500 cm Hubraum reicht für eine Zylinderfüllung die sehr geringe Menge von 0,02 g Wasserstoff.

Der in den Figuren 3 und 4 dargestellte Verbrennungsmotor umfaßt eine Weiterbildung, gemäß der die Wasserstoffeinspritzung geometrisch begrenzt und die Zündung in einer Vorkammer 12 gewährleistet wird.

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Diese Vorkammer, in die das Wasserstoffgas eingespritzt wird, ist von dem Hauptverbrennungsraum getrennt, um eine merkliche Diffusion von Wasserstoff mit dem Hauptladungsteil und einen dadurch bedingten zu großen Verbrauch von Wasserstoff für eine sichere Zündung zu vermeiden. Mit dieser Bauart läßt sich der für eine Zylinderfüllung benötigte Wasserstoffanteil wesentlich verringern.

Man braucht natürlich nicht unbedingt mit einem minimalen Wasserstof fanteil zu arbeiten, sondern kann auch andere Wasserstoffanteile verwenden, die zu einem zündwilligen Gemisch führen.

Der weite Bereich des Wasserstoffanteils ermöglicht sowohl die Verwendung einer festen Wasserstoffmenge pro Hub als auch eine von der Drehzahl und Belastung des Motors abhängige Menge. Im letzten Fall ist natürlich die Steuerung für die elektromagnetische Einspritzdüse 6 komplizierter im Vergleich zur Einspritzung konstanter Mengen.

Beide Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Ottomotoren. Die Erfindung ist jedoch auch bei Dieselmotoren anwendbar. Dabei wird dann die Zündkerze 4 durch eine übliche Einspritzdüse für Dieselöl ersetzt, und die Zündung erfolgt bei der Kompression in dem wasserstof f haltigen Ladungsteil.

Die leichte Entflammbarkeit von Wasserstoff selbst in geringen Mengen ermöglicht eine Verbrennung bei geringem Verdichtungsverhältnis. Dadurch lassen sich Dieselmotoren in der Kälte leichter starten. Es können auch schwerere Dieselöle ohne Leistungseinbuße verwendet werden.

Zum Schutz der Wasserstoffeinspritzdüse kann ein Ventil vorgesehen sein, das in den Figuren 5 und 6 dargestellt ist. Die dort dargestellte Einspritzdüse umfaßt einen Gehäusekörper 21 une eine Gewindebuchse 22, die in den Gehäusekörper eingeschraubt ist und eine Bohrung 39 aufweist, in der eine Kugel 23 mit radialem und axialem

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Spiel frei beweglich untergebracht und mittels eines Rückhalteteils

24 am Herausfallen gehindert ist. Das Rückhalteteil ist mit festem Sitz in die Gewindebuchse 22 eingesetzt.

Der zylindrische Gehäusekörper 21 weist einen äußeren Gewindebereich

25 auf, der zu der Gewindebohrung in der Wand 44 des Zylinderkopfes paßt. An den Gewindebereich 25 grenzt ein eine Führung bildender glatter Bereich 26 an, und der Gehäusekörper 21 weist einen Kragen 27 auf, der gegen die äußere Oberfläche der Wand 44 kommen kann und die Einschraubbewegung begrenzt. Im Bereich des Kragens 27 ist eine glatte Bohrung 28, die zur Aufnahme der elektromagnetischen Einspritzdüse 6 dient und die in einen konzentrischen Gewindebereich übergeht, an den eine konische Bohrung 31 anschließt, die einseitig durch das Ende 32 der elektromagnetischen Einspritzdüse 6 begrenzt ist. Am anderen Ende des Gehäusekörpers 21 befindet sich eine koaxiale Gewindebohrung 33, die die Gewindebuchse 2 aufnimmt und in einen konischen Bereich 34 übergeht, der den Ventilsitz für die Kugel 2 3 bildet und mit der konischen Bohrung 31 über eine enge öffnung 35 in Verbindung steht.

Die praktisch zylindrische Gewindebuchse 22 hat einen Außengewindebereich 36 zum Einschrauben der Gewindebuchse in die Gewindebohrung 33 des Gehäusekörpers 21, und einen Kragenbereich 37, der die Einschraubbewegung der Gewindebuchse 22 in den Gehäusekörper 21 begrenzt und zwei diametral gegenüberliegende Planbereiche 38 aufweist, um das Einschrauben der Gewindebuchse 22 zu erleichtern. Die Gewindebuchse 22 weist eine zentrale glatte Bohrung 39 auf, die der Einspritzdüse 6 zugewandt ist und zum Aufnehmen der Kugel 23 dient, sowie eine dünnere Bohrung 41, die eine Schulter 40 bildet, auf der das Rückhalteteil 24 fest aufsitzt.

Das Rückhalteteil 24 bildet ein Plättchen, welches mit festem Sitz mit seinen zylindrisch gestalteten Kanten 42 in die Bohrung 39 der Gewindebuchse 22 eingepreßt ist und zwei gegenüberliegende Planflächen 43 aufweist, die die Strömung an dem Rückhalteteil 24

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vorbeilassen. Die Kugel 23 ist in der Bohrung 39 also mit einem gewissen axialen und radialen Spiel zwischen dem den Ventilsitz bildenden konischen Bereich 34 und dem Rückhalteteil 24 eingeschlossen.

Die Wirkungsweise ist folgende. In der Einspritzphase drückt die durch die elektromagnetische Einspritzdüse 6 fließende Wasserstoffströmung die Kugel 23 gegen das Rückhalteteil 24, so daß Wasserstoff an diesem vorbei in den Verbrennungsraum strömen kann. Aufgrund des radialen Spiels der Kugel 23 behindert diese die Strömung nicht.

Am Ende des Verdichtungshubes und während des Arbeitshubes drängt der in dem Verbrennungsraum herrschende Gasdruck die Kugel 23 gegen den Ventilsitz 34, so daß die Einspritzdüse 6 gegen schädliche Wärmewirkungen geschützt ist, insbesondere während der Verbrennungs-¹ phase. Der Schutz der Einspritzdüse 6 ist sehr wirkungsvoll, da die Kugel 23 schon gegen Ende des Verdichtungshubes gegen den Ventilsitz 34 gedrückt wird, sobald der Druck genügend hoch ist, also in jedem Fall vor Beginn der Verbrennung, wobei die Abdichtung bis zum Ende des Arbeitshubes anhält, also so lange sich heiße Gase in dem Verbrennungsraum befinden.

Die Einspritzvorrichtung ist einfach aufgebaut, läßt sich also kostengünstig herstellen, arbeitet zuverlässig und wird automatisch entsprechend dem Arbeitsablauf in den Zylindern gesteuert, wobei sie einen wirksamen Schutz der Einspritzdüse ergibt.

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Claims

Patentansprüche :

li. J Verbrennungsmotor mit geschichteter Ladung, die einen armen ^-^ Hauptladungsteil aus einem ersten Brennstoff und Luft aufweist, gekennzeichnet durch eine in der Zündzone mündende Einspritzvorrichtung (6) für einen zweiten Brennstoff, insbesondere Wasserstoffgas, zum Herstellen eines zündwilligeren Ladungsgemisches in der Zündzone.
2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 in Ottomotorbauart, dadurch gekennzeichnet , daß die Einspritzvorrichtung (6) in der Nähe der Zündkerze (4) mündet.
3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine mit dem Verbrennungsraum (3) verbundene Vorkammer (12), in die die Einspritzvorrichtung (6) und eventuelle Zündvorrichtung (4) münden.
4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Einspritzvorrichtung eine elektromagnetische Einspritzdüse (6) umfaßt, die an einen Wasserstoffvorratsbehälter (9) angeschlossen ist.
5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch g e k e η η -

ζ e i c h ne t , daß die Einspritzvorrichtung eine Einspritzdüse (6) umfaßt, die ein Kugelventil (23,34) enthält, deren Kugel (23) mit Spiel zwischen einem an den Verbrennungsraum (3) angrenzenden, strömungsdurchlässigen Rückhalteteil (24) und einem in Strömungsrichtung davor liegenden Ventilsitz (34) frei beweglich ist.

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6. Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (34) an dem Gehäuse der Einspritzdüse (6) fest ist und daß das Rückhalteteil (24)
ein Plättchen bildet, das in eine die Kugel (23) aufnehmende Bohrung fest eingesetzt ist und an einer verbrennungsraumseitigen Schulter (4o) aufliegt.

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ORIGINAL INSPECTS?