DE2510176B1 - Viertakt-hubkolben-brennkraftmaschine mit zuendkammer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einer über einen Überströmkanal an den Hauptbrennraum angeschlossenen ungespülten Zündkammer, der eine Zündkerze und winklig hierzu eine Einspritzdüse zugeordnet sind, über die eine einen Bruchteil der Vollastmenge ausmachende Brennstoffmenge eingespritzt wird.

Bei einer bekannten Brennkraftmaschine dieser Art (DT-PS 12 51 577) macht das Volumen der Zündkammer, die über einen Überströmkanal in den Hauptbrennraum ausmündet, nur einen verhältnismäßig kleinen Anteil am Gesamtkompressionsvolumen aus. In Verbindung mit dem dort verwendeten Überströmkanal von verhältnismäßig kleinem Querschnitt führt diese Gestaltung zu hoher Flammaustrittsgeschwindigkeit und entsprechend abrupter Zündung der angesaugten Hauptgemischmenge. Ursächlich hierfür ist unter anderem, daß sich zwischen der Zündkammer und dem Hauptbrennraum scharf getrennte Gemischzonen bilden. Als Konsequenz ergeben sich hohe Spitzendrücke bei vergleichsweise niedrigem Mitteldruck, so daß Laufcharakteristik und Leistung bei einer derartigen Maschine, verglichen mit herkömmlichen Ottomotoren, nicht befriedigen können.

Durch die Erfindung soll nun eine Maschine der vorgenannten Art dahingehend ausgebildet werden, daß sich bei günstigen Beanspruchungen für die Maschine, also einem insbesondere auch aus Komfortgründen angestrebten weichen Verbrennungsablauf eine gute Abgasqualität insbesondere mit einem geringen Stickoxidanteil ergibt.

Gemäß der Erfindung wird dies bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß das Verhältnis zwischen dem Volumen der Zündkammer und dem Gesamtkompressionsvolumen 0,10 bis 0,30 und zwischen dem Volumen des Überströmkanals und dem Gesamtkompressionsvolumen 0,01 bis 0,25 beträgt und daß der Beginn der Einspritzung in die Zündkammer, bei der etwa 2 bis 10% der maximalen Vollastmenge eingespritzt werden, im Saugtakt liegt. Insbesondere liegt der Beginn der Einspritzung zwischen 200 und 300 Grad Kurbelwinkel vor dem Ende des Kompressionstaktes.

Diese erfindungsgemäße Ausgestaltung, die wegen des frühen Einspritzbeginnes zu einer weitgehenden Homogenisierung des in die Zündkammer eingespritzten Kraftstoffanteils führt und wegen der Relation der Zündkammergröße zur Einspritzmenge auch eine gute Zündfähigkeit ohne Überfettungsgefahr in der Zündkammer mit sich bringt, ermöglicht auch die Verwendung von Kraftstoffen mit geringer Oktanzahl (Normalkraftstoffen). Ferner erbringt sie wegen des gegebenen Volumenverhältnisses zwischen Zündkammer und Gesamtkompressionsraum, bzw. von Zündkammer zu Überströmkanal bei verhältnismäßig weitem Überströmkanal bei weichem Lauf verhältnismäßig hohe Mitteldrücke, so daß sich, bezogen auf das Hubvolumen des Motors, auch für derartige Zündkammermaschinen eine gute Leistung erreichen läßt.

Für Vorkammer-Brennkraftmaschinen mit Selbstzündung ist es bereits bekannt, daß bei weitern Überströmkanal das Volumen von Vorkammer und Überströmkanal zusammen zwischen 10 bis 30% des gesamten Kompressionsvolumens der Maschine ausmachen (DT-OS 17 51 189). Diese Ausgestaltung der Maschine dient in Verbindung mit der Einspritzung des gesamten Kraftstoffes in bzw. durch die Vorkammer im wesentlichen der Sicherung des Vielstoffbetriebes, d. h. dem Arbeiten der Maschine auch mit zündunwilligeren Kraftstoffen als Diesel ohne wesentliche Beeinträchtigung des Dieselbetriebes insbesondere im Hinblick auf dessen Wirtschaftlichkeit bei Direkteinspritzung. Durch den weiten Überströmkanal werden nämlich die Überströmverluste klein gehalten, und das verhältnismäßig kleine Volumen der Vorkammer ist zugleich im wesentlichen Gewähr dafür, daß für die Masse des Kraftstoffes wegen des Durchspritzens bis in den Hauptbrennraum dem Direkteinspritzer ähnliche Ver-

hältnisse gegeben sind. Für den Dieselbetrieb bleibt somit die Bedeutung der Vorkammer — zumal die Selbstzündung wegen der bei Einspritzung heterogenen Gemischbildung ohnehin gewährleistet ist — gering und beeinträchtigt auch die Wirtschaftlichkeit im Vergleich zum Direkteinspritzer wenig. Für den Vielstoffbetrieb, insbesondere auch für das Anlassen im Vielstoffbetrieb stellt die Vorkammer, auch und gerade wegen ihrer geringen Größe, dagegen die gewünschte Hilfe dar, da — abgesehen von der Glühkerze für das Anlassen — die aufgeheizten Wände für eine sich auf die Zündwilligkeit günstig auswirkende Temperaturerhöhung sorgen. Es gilt hier also nicht, für Zündung und Verbrennung eines aus Abgasgründen insgesamt mageren und damit nur noch schlecht brennbaren homogenen Gemisches sorgen zu müssen, sondern die notwendigen Randbedingungen für die Zündung eines an sich gut brennbaren, heterogenen Gemisches zu schaffen. Dementsprechend ist hier auch nicht die Stufenverbrennung, also aus Abgasgründen die teilweise bewußt verzögerte Verbrennung angestrebt, sondern vielmehr eine möglichst gleichmäßige Verbrennung ohne Zündverzug.

Ferner ist es für eine mit Fremdzündung arbeitende Brennkraftmaschine bekannt (US-PS 32 30 939), eine gespülte und mit einer Zündkerze versehene Brennkammer vorzusehen, deren Volumen 2 bis 3% des Volumens des Hauptbrennraumes ausmacht und die mit dem Hauptbrennraum über Überströmkanäle in Verbindung steht, deren Querschnitt zum Brennkammervolumen im Verhältnis von 0,03 bis 0,04cm²/cm^J steht. Durch Verbrennung eines stark überfetteten Gemisches mit einem Lambda-Wert von 0,4 bis 0,7 soll hier eine Aktivierung des in der Brennkammer befindlichen, infolge Luftmangels nur teilweise verbrennbaren Kraftstoffes erfolgen, die nach unter starker Verwirbelung stattfindendem Übertreten der Gase in den Hauptbrennraum dort zu einer besonders schnellen Verbrennung führen soll. Diese sehr plötzliche Verbrennung des in Anbetracht des kleinen Brennkammervolumens doch weit überwiegenden Gemischanteiles des Hauptbrennraumes soll eine wesentliche Kraftstoffersparnis bringen. In jedem Falle wird sie aber wegen der mit einem solchen Vorgehen verbundenen sehr hohen Brenntemperaturen zu einer harten und schadstoffreichen Verbrennung des im Hauptbrennraum befindlichen Gasgemisches führen, was erfindungsgemäß gerade vermieden werden soll.

Bei einer weiteren bekannten, mit einer ungespülten Zündkammer ausgerüsteten Brennkraftmaschine (DT-OS 20 48 229) sind der Zündkammer eine Zündkerze sowie eine Einspritzdüse zugeordnet, über die der gesamte Kraftstoff im Saugtakt eingespritzt wird. Die Einspritzdüse ist dabei so angeordnet, daß der Kraftstoff nicht unmittelbar durch den Überströmkanal in den Hauptbrennraum eingespritzt werden kann. Durch die Auslegung des Überströmkanals als Strömungswiderstand soll bei einer derartigen Konzeption eine unterschiedlich fette Gemischbildung in Zündkammer und Hauptbrennraum gewährleistet werden, um über eine Art Stufenverbrennung Abgasverunreinigungen gering zu halten. Hierzu trägt bei dieser bekannten Konstruktion zwar die frühe Einspritzung im Saugtakt und die damit verbundene Homogenisierung des Gemisches bei, insgesamt sind diesen Bestrebungen aber dadurch Grenzen gesetzt, daß, um lastabhängig zu große Schwankungen der Luft-Kraftstoffkonzentration in der Zündkammer zu vermeiden, diese verhältnismäßig groß gemacht werden muß. Bei einer derartig großen Zündkammer werden aber die Bedingungen im Hinblick auf die Stickoxidbildung bereits wieder deutlich schlechter und es ergeben sich außerdem Schwierigkeiten, auch in den unteren Lastbereichen auch bei entsprechend geringer Einspritzmenge noch eine regelmäßige Zündung sicherzustellen.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung erweist es sich für den angestrebten weichen Lauf als zweckmäßig, wenn, bezogen auf eine Bezugszündkammer mit entsprechen-, dem Volumen und mit Kugelform, der Durchmesser des Überströmkanals zum Durchmesser der Zündkammer in einem Verhältnis zwischen 0,3 und 0,7 steht.

In Ausgestaltung der Erfindung wird die in die Zündkammer eingespritzte Brennstoffmenge entweder konstant gehalten, und zwar last- und drehzahlunabhängig, oder derart gesteuert, daß die Einspritzmenge mit steigender Last und Drehzahl abnimmt.

Die Zündkerzen- und die Einspritzdüsenachse können bevorzugt unter einem Winkel zwischen 60 und 90 Grad zueinander stehen, wodurch die Befeuchtungsgefahr für die Zündkerze vermindert und damit die Startbedingungen für den Motor verbessert werden.

In weiterer Ausgestaltung kann die Achse des Überströmkanals etwa mit der Zündkerzenachse zusammenfallen, oder aber die Einspritzdüsenachse etwa parallel zur Achse des Überströmkanals liegen oder mit dieser zusammenfallen. Eine zur Achse des Überströmkanals versetzte Lage der Achse der Einspritzdüse ist insbesondere bei Wirbelkammern u. U. zweckmäßig. Ferner erweist sich eine zur Achse des Überströmkanals etwa parallele Lage der Achse der Einspritzdüse als zweckmäßig, um gleichmäßige Bedingungen in der Zündkammer zu gewährleisten und einen geringen Wandanteil zu erreichen. Schließlich kann eine solche Lage der Einspritzdüse auch zweckmäßig sein, um eine gute Schichtung im Bereich des Überströmkanals zu erreichen und so allmähliche Übergänge im Hinblick auf die Gemischverhältnisse zu schaffen, wobei zu berücksichtigen ist, daß die in die Zündkammer eingebrachte Kraftstoffmenge sehr klein ist und zumindest oberhalb des Leerlaufbereiches der Hauptanteil des Kraftstoffes unmittelbar in den Hauptbrennraum eingebracht wird, und zwar drosselklappengesteuert entweder über einen Vergaser oder über ein Saugrohr-Einspritz-System. Insgesamt ist dabei die Auslegung so gewählt, daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ über den gesamten Teillastbereich des Motors zumindest annähernd konstant ist und bevorzugt bei λ = 1,1 liegt. Entsprechend der in die Zündkammer eingebrachten konstanten Kraftstoffmenge ist dabei in der Zündkammer bei geringer Last oder im Leerlaufbereich ein verhältnismäßig fettes Gemisch gegeben, während die dem Hauptbrennraum zugeführte Kraftstoffmenge so bemessen ist, daß sich dort in diesen Bereichen ein mageres Gemisch einstellt. Im reinen Vollastbereich kann das Gesamtgemisch aus Gründen optimaler Lesitung auf λ< 1 angereichert werden.

Aufgrund des frühen Einspritzzeitpunktes für die in die Zündkammer einspritzende Düse kann hier mit einer Niederdruck-Einspritzdüse gearbeitet werden, deren Abspritzdruck zwischen etwa 10 und 40 bar liegt. Es erweist sich in diesem Zusammenhang die Verwendung solcher Einspritzdüsen als zweckmäßig, die mit einem Spritzkegel von bis zu etwa 45 Grad abspritzen.

Aufgrund dessen, daß im Vergleich zu Maschinen, bei denen die gesamte Kraftstoffmenge in den Hauptbrennraum eingebracht wird, im Hauptbrennraum ein höheres Luft-Kraftstoff-Verhältnis gegeben ist als für

den Gesamtmotor, ist die Gefahr von Selbstzündungen verringert und es lassen sich daher auch mit niederoktanigen Kraftstoffen noch Verdichtungsverhältnisse bis zu einem ε von etwa 14 erreichen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch den Zylinderkopfbereich einer Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine der erfindungsgemäßen Art, die mit leichtsiedenden Kraftstoffen arbeitet und je Zylinder einen Hauptbrennraum und eine Zündkammer aufweist, wobei auf die Darstellung von Steuerelementen und Gaswechselwegen wegen der insoweit üblichen Ausführungsform verzichtet wurde und

Fig.2 in einer diagrammartigen Darstellung den Verlauf des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses über der Last bei konstanter Drehzahl.

In der Schnittdarstellung in F i g. 1 durch den Zylinderkopfbereich einer Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine, die mit leichtsiedenden Kraftstoffen arbeitet, ist eine Vielzahl von Einzelheiten nicht gezeigt, da die Maschine insoweit grundsätzlich in der herkömmlichen Form von Ein- oder Mehrzylindermotoren dieser Gattung aufgebaut sein kann.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Gesamtbrennraum über dem Kolben t in einen Hauptbrennraum 2, der im wesentlichen durch eine Kolbenmulde gebildet ist, und eine Zündkammer 3 unterteilt, die über einen Überströmkanal 4 mit dem Hauptbrennraum in Verbindung steht. Die Zündkammer 3 hat einen im wesentlichen kugelförmigen Innenraum, und die Achse des im wesentlichen zylindrischen Überströmkanals 4 verläuft im dargestellten Ausführungsbeispiel durch die Kugelmitte.

Dem Überströmkanal 4 gegenüberliegend ist im Ausführungsbeispiel achsgleich eine Kegelmantel-Kraftstoff-Einspritzdüse 5 angeordnet, und quer zu der gemeinsamen Einspritzdüse 5 und Überströmkanal 4 mündet eine Öffnung 6 für eine Zündkerze 7 in die Zündkammer ein, die bevorzugt aus einem warmfesten ^₀ Stahl besteht und aus dem insgesamt mit 8 bezeichneten Zylinderkopf ausbaubar ist. Die Anordnung für die Zündkammer ist dabei insgesamt so getroffen, daß die Achse des Überströmkanals 4 in der Ebene zwischen dem Zylinderkopf 8 und dem Zylindergehäuse 9 möglichst nahe bei der Achse 10 der Kolbenbohrung liegt.

Des weiteren steht, in der dargestellten Schnittebene, die Achse des Überströmkanals unter einem spitzen Winkel zur Achse 10 der Kolbenbohrung bzw. des Zylinders 9, und es erweist sich im Rahmen der Erfindung ein möglichst geringer Neigungswinkel «. zwischen diesen beiden Achsen als zweckmäßig.

Für den Betrieb der Brennkraftmaschine wird in einem Kurbelwinkelbereich von 200 bis 300 Grad vor dem Ende des Kompressionstaktes, also vor Zünd-OT im Saugtakt eine konstante, kleine Kraftstoffmenge von wenigen Kubikmillimetern pro Einspritzung über die Düse 5 eingespritzt. Der Einspritzstrahl hat dabei die Form eines Kegelmantels, und es gelangt während des Saugtaktes von dieser Einspritzmenge über den Überströmkanal 4 ein Teil· in den Hauptbrennraum 2.

Ebenfalls im Saugtakt wird über das hier nicht dargestellte, üblicherweise vorgesehene Einlaßventil in den Hauptbrennraum 2 ein mageres Gemisch eingebracht, und zwar drosselklappengeregelt entweder über einen Vergaser oder über ein Saugrohr-Einspritz-System.

Bei dem auf den Saugtakt folgenden Kompressionstakt wird mit entgegengesetzter Luftbewegung ein Teil des im Saugtakt aus der Zündkammer ausgetretenen, fetten Zündkammergemisches wieder in die Zündkammer zurückgedrängt, und zwar zusammen mit einem Anteil von dem in den Hauptbrennraum angesaugten mageren Gemisch. Der im Hauptbrennraum verbleibende fettere Gemischanteil aus der Zündkammer bildet eine Mischzone zwischen den beiden, im Hauptbrennraum und in der Zündkammer vorgesehenen Gemischarten, die mengenmäßig insgesamt so aufeinander abgestimmt sind, daß sich gemäß dem Diagramm in Fig.2 in dem für Verbrauchs- und Abgasverhalten maßgebenden Betriebsbereich ein Luft-Kraftstoff-Gesamtmischungsverhältnis λ gesamt = 1,1 ergibt.

Für das beschriebene, bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Volumen- bzw. Durchmesserverhältnisse derart, daß das Verhältnis des Zündkammervolumens zum Gesamtkompressionsvolumen etwa 0,2 und das Volumen des Überströmkanals zum Gesamtkompressionsvolumen etwa 0,075 ausmacht. Ferner steht für eine Bezugszündkammer in Kugelform bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung der Durchmesser des Überströmkanals zum Durchmesser der Zündkammer in einem Verhältnis von annähernd 0,5. Die pro Arbeitstakt in die Kammer konstant und drehzahlunabhängig eingespritzte Brennstoffmenge macht bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung etwa 4% der maximalen Vollasteinspritzmenge aus. Der Einspritzbeginn liegt bevorzugt bei etwa 200 bis 300 Grad Kurbelwinkel vor Zünd-OT.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einer über einen Überströmkanal an den Hauptbrennraum angeschlossenen ungespülten Zündkammer, der eine Zündkerze und winklig hierzu eine Einspritzdüse zugeordnet sind, über die eine einen Bruchteil der Vollastmenge ausmachende Brennstoffmenge eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen dem Volumen der Zündkammer (3) und dem Gesamtkompressionsvolumen 0,10 bis 0,30 und zwischen dem Volumen des Überströmkanals (4) und dem Gesamtkompressionsvolumen 0,01 bis 0,25 beträgt und daß der Beginn der Einspritzung in die Zündkammer (3), bei der etwa 2 bis 10% der maximalen Vollastmenge eingespritzt werden, im Saugtakt liegt.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beginn der Einspritzung etwa zwischen 200 und 300 Grad Kurbel winkel vor dem Ende des Kompressionstaktes liegt.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Zündkammer (3) eingespritzte Brennstoffmenge last- und drehzahlunabhängig ist.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Zündkammer (3) eingespritzte Brennstoffmenge derart gesteuert wird, daß die Einspritzmenge mit steigender Last und/oder Drehzahl abnimmt.

5. Brennkraftmaschine nach eirem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkerzen- und die Einspritzdüsenachse unter einem Winkel zwischen 60 und 90 Grad zueinander stehen.

6. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen des Überströmkanals und der Zündkerze etwa zusammenfallen.

7. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Überströmkanals (4) und der Einspritzdüse (5) etwa zusammenfallen.

8. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse (5) mit einem Spritzkegel von bis etwa 45 Grad abspritzt.

9. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Überströmkanals zu dem Durchmesser einer Bezugszündkammer in Kugelform in einem Verhältnis zwischen 0,3 und 0,7 steht.