DE2522577A1

DE2522577A1 - Fremdgezuendete brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2522577A1
Application number: DE19752522577
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dipl Ing Dr Latsch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1975-05-22
Filing date: 1975-05-22
Publication date: 1976-12-09
Also published as: DE2522577B2; DE2522577C3

Description

R. 26 9 3

24.4.1975 Su/Kb

Anlage zur

Patent- und

Gebrauchsmusterhilfsanmeldung

ROBERT BOSCH GMBH, 7 Stuttgart

Fremdgezündete Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit einer vom zwischen Motorzylinder, Kolben und Zylinderkopf gebildeten Haupttrennraum abgesetzten und die Zündkerze aufnehmenden Zündkammer und mit einem den Hauptbrennraum mit der Zündkammer verbindenden tangenbial zur Zündkammer angeordneten überströmkanal.

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Bei bekannten Brennkraftmaschinen dieser Art besteht ein Hauptproblem in der sicheren Zündung des in der Zündkammer sich einstellenden Kraftstoff-Luft-Gemisches. Dieses Kraftstoff-Luft-Gemisch wird einerseits durch das aus dem Hauptbrennraum über den überströmkanal die Zündkammer strömende Kraftstoff-Luft-Gemisch und andererseits durch die zusätzlich in die Zündkammer eingespritzte Kraftstoffmenge bestimmt. Hierbei ist das aus dem Hauptbrennraum zugeführte Kraft-Luft-Gemisch nahezu unzündbar mager gehalten, um dann durch die zusätzlich eingespritzte Menge zündgünstig angefettet zu werden. Hierbei kann jedoch durch schlechte Gemischaufberextung (z.B. als Folge einer Verrußung des Einspritzventils eine Überfettung im Bereich der Zündkerze verursacht werden, was zu Zündaussetzern und einer entsprechenden Verschlechterung der Abgase der Brennkraftmaschinen führt. Diese durch die Schichtung bewirkte Problematik wird bei einer üblichen Wirbelkammeranordnung durch die in der Kammer aufgrund der tangentialen Einströmung sich bildenden Zentrifugalkräfte, die sich besonders an den schwereren Kraftstofftropfen des Kraftstoff-Luft-Gemisches auswirken, noch verstärkt.

Um dem entgegenzuwirken, ist bei einer anderen bekannten Brennkraftmaschine dieser Art im Zentrum der Zündkammer eine die Zündkerze aufnehmende Extrakammer angeordnet, in die das angefettete Gemisch aus der Zündkammer strömt, um dann gezündet zu werden. Bekanntlich tritt jedoch nach der Zündung in Wirbelkammern eine Entmischung von verbranntem und unverbranntem Kraftstoff-Luft-Gemisch auf, da die heißeren Verbrennungsprodukte der Kammermitte hingegen die unverbmannteη der Kammerwand am Umfang zustreben. Bei dieser bekannten Vorrichtung ist somit nur eine Erstzündung gewährleistet, nicht hingegen eine fortlaufende Zündung des gesamten Zündgemisches während eines Explosionszykluses.

Darüber hinaus erfordert eine Ladungsschichtung der beschriebenen Art einen erheblichen Mehraufwand, da eine Hochdruck-Einspritzanlage, die überdies jede Vorkammer in

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einer von Drehzahl und Saugrohrdruck abhängigen Zuordnung zum oberen Totpunkt besorgen muß, notwendig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art zu entwickeln, ohne die bei den bekannten Brennkraftmaschinen bei der Schichteinspritzung auftretenden Nachteile bei einem möglichst geringen Aufwand.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das für die Zündung vorgesehene Kraftstoff-Luft-Gemisch ausschließlich aus dem Hauptbrennraum über den tangentialen überströmkanal in die Zündkammer gelangt, um dort ohne Zusatzeinspritzung (ohne Schichtung) durch Bildung eines Potentialwirbels eine homogene Durchmischung von Luft und Kraftstoff zu erfahren, wobei die Zündkammer vorzugsweise im wesentlichen Kugelform hat. Aufgrund des tangenialen Eintritts in die Zündkammer bildet sich in dieser zunächst ein sogenannter Festkörperwirbel, der zunehmend in einen Potentialwirbel übergeht, was ein Maximum an homogener Durchmischung von Kraftstoff und Luft gewährleistet. Diese Homogenität ist vor allem nicht dadurch gestört, daß zusätzlich Kraftstoff eingespritzt wird. Im Bereich der Wandgrenzschicht ist die Gemischgeschwindigkeit innerhalb dieses Wirbels gering und es bestehen insbesondere feinballige turbulenten Schwankungen, d.h. die Längenmaße der vorhandenen Turbulenz sind gering. Hinzu kommt, daß in der Wandgrenzschicht möglicherweise aufgrund der Zentrifugalkräfte trotz günstiger Homogenität eine leichte Anfettung des Kraftstoff-Luft-Gemisches besteht. In dieser Wandgrenzschicht sind die Elektroden der Zündkerze angeordnet, so daß beste Bedingungen für ein Entflammen auch sehr magerer Kraftstoff-Luft-Gemische gegeben ist. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Zündkerze mit der Oberkante ihrer Mittelelektrode in der Wandgrenzschicht des Kraftstoff-Luft-Wirbels angeordnet und näherungsweise gegenüber der Einmündung des Überströmkanals in die Zündkammer, da nach Zündung das verbrannte Gemisch zum Zentrum der Wirbelkammer (Zündkammer) strebt, wird das unverbrannte Gemisch an der Zündkerze

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vorbeigezogen, so daß eine besonders günstige vollständige Zündung des Zündgemisches erfolgt. Hierbei bleibt der Flammenkern an der Kerze erhalten, was sich günstig auf die Stabilität der Zündungseinleitung und Umsatzgeschwindigkeit auswirkt.. Darüber hinaus liegt in der Wandgrenzschicht ein großer Geschwindigkeitsgradient vor, was ebenfalls für eine Zündungseinleitung vorteilhaft ist. Zudem begünstigen hohe Temperaturen Vorrektionen und somit die Zündungseinleitung. Die genannten Gründe bewirken, daß die Zündverzugszeit (Zeit zwischen Punkenüberschlag und Ausbreitung der Flammenfront) sehr viel geringer und wegen der starken Wirbelbewegung der Ladung die Umsatzgeschwindigkeit in der Wirbelkammer um ein Vielfaches höher ist als bei üblichen Motoren.

Aufgrund des steilen Druckanstiegs ist eine Annäherung an den Idealprozeß, d.h. dem Gleichraumprozeß des Otto-Motors erreicht. Ein weiterer Vorteil ist die geringe Abhängigkeit des leistungsoptimalen Zündzeitpunktes von Drehzahl und Last bzw. Saugrohrdruck des Motors.

Aufgrund der geordneten Ladungsumsetzung in der Wirbelkammer werden ebenfalls günstige Zündungs- und Verbrennungsbedingungen im Hauptbrennraum erreicht, da der aus der Wirbelkammer austretende Strahl diese Vorgänge steuert. Vorteilhafterweise . sind dadurch die zyklischen Schwankungen auch bei der Verbrennung eines im Vor- und Haupttrennraum befindlichen mageren Gemisches sehr gering, was sich auch insbesondere in geringer Klopfneigung des Motors auswirkt.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung sind zur Verbesserung der Zündungsumsetzung zwei überströmkanäle vorgesehen, deren Mittelachsen vorzugsweise zum Hauptbrennraum hin einen Winkel von ca. 90° einschließen. Die Ausgestaltung mit zwei Überströmkanälen ist mit einer Doppelzündung vergleichbar, d.h. der Verwendung von zwei Zündkerzen. Dadurch wird die Umsatzgeschwindigkeit der Ladung im Hauptbrennraum erhöht, was den Wirkungsgrad verbessert.

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Ein weiterer Nachteil des Schichtladungsmotors, nämlich eine vergleichsweise große Emission von Kohlenwasserstoffen ist beim erfindungsgemäßen mit homogener Ladung arbeitenden Motor überwunden, weil in der "Vorkammer ein sehr fettes Gemisch bei niedrigen Temperaturen verbrannt wird. Hinsichtlich der Emission von Stickoxiden weist der erfindungsgemäße Vorkammermotor im Vergleich zum Schichtladungsmotor ebenfalls Vorteile auf, indem die beim Schichtladungsmotor übliche deutlich überstöchiometrische Luftzahl vermieden wird. Ursache dafür ist, daß sich im allgemeinen die Verbrennung des fetten Ladungsteils .in der Vorkammer und des mageren Gemisches im Hauptbrennraum leicht scharf trennen läßt. Es kommt zu einer teilweisen Vermischung, wobei schwach überstöchiometrische Zusammensetzung entsteht, deren Verbrennung aber zu extrem hoher Stickoxidbildung führt.

Drei Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel mit im Zylinderkopf angeordneter Zündkammer,

Pig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel ₃ bei dem die Zündkammer in Teilen angeordnet ist, die in den Zylinderkopf eingesteckt bzw. eingeschraubt werden,

Fig. J 4 und 5 ein Teil der Zündlcammer mit zwei Überströmkanälen .

In einem Motorzylinder 1 ist ein Motorkolben 2 angeordnet, der mit dem Zylinderkopf 3 die Hauptbrennkammer 4 begrenzt. Über die Saugleitung 5 und das Motoreinlaßventil 6 gelangt durch eine nicht dargestellte Anlage zugemessen ein mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch während des Saughübs des Motorkolbens 2 in den Hauptbrennraum 4. Während des Verdichtungshubs des

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Motorkolbens 2 gelangt dann dieses magere Kraftstoff-Luft-Gemisch über einen überströmkanal 7 in eine kugelförmige Zündkammer 8.Der überströmkanal 7 mündet tangential in die Zündkammer 8 ein, so daß sich in der Zündkammer 8 ein Wirbel mit geordnetem Strömungsverlauf bildet. Die im Wandbereich 9 der Zündkammer entstehende Wandgrenzschicht des Kraftstoff-Luft-Gemisches wird an den Zündelektroden 10 einer Zündkerze 11 vorbeigeführt und gezündet. Aufgrund der geringen Geschwindigkeit der Wandgrenzschicht und der durch den geordneten Wirbel gebildeten absolut homogenen Mischung von Kraftstoff, Luft und Restgas wird auch bei sehr mageren Gemischen eine Zündung ermöglicht. Aufgrund der Eigenart des Potentialwirbel streben die heißen also bereits entzündeten Kraftstoff-Luft-Gemischteile zur Zündkammermitte hin, so daß die ungezündeten Gemischteile an die Zündkammerwand und damit in den Bereich der Elektroden 10 strömen. Es geht also eine Spirale, wie sie durch Pfeile angedeutet ist, von der Zündkerze nach der Kammermitte. Selbst nach Erlöschen des Zündfunkens erfolgt eine weitere Zündung, wegen des sogenannten "Halteflammeneffektes" an der Zündstelle. Darüber hinaus auch indem die sich ausbreitende spiralenförmige Flamme durch Konvektion mit unverbrannten Gasen .zusammentrifft. Eine ähnlich vorteilhafte Zündung wird bei der Verxfendung einer scheibenförmigen Zylinderkammer statt einer Kugelkammer erreicht, wobei sich ähnliche Verhältnisse einstellen. Eine solche Anordnung ist eim spezieller Fall günstiger in einem Zylinderkopf anzuordnen.

Nach Zündung des Gemisches erfolgt über den überströmkanal 7 eine Zündung des gleichmageren Kraftstoff-Luftgemisches im Hauptbrennraum -4. Hierbei beträgt das Verhältnis von Wirbelkammervolumen zu Gesamtvolumen des Brennraums wenn der Kolben 2 die gezeigte obere Totpunktstellung einnimmt, 20 bis 25 %_s was sich in einem etwas stärkeren Kraftstoffverbrauch, jedoch in einer Abnahme der NO -Emission auswirkt.

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In Pig. 2 ist die Wirbelkammer 8 zwischen den Teilen 13 und 14 angeordnet, von denen das Teil 13 als Schraubteil, das Teil l4 im Zylinderkopf 3 festspannt. Das Teil 13 ist von außerhalb des Motors zugängig und trägt die ebenfalls dadurch leichter zugängige Zündkerze 11. Aufgrund der gegenüber dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel stärker geneigten Anordnung in Bezug auf den Mot or zylinder wird vom Zündstrahl her über den Überströmkanal in den Hauptbrennraum eintritt, ein größtmöglicher Teil des Kraftstoff-Luft-Gemisches erfaßt und es wird außerdem vermieden, daß der Strahl unmittelbar auf die Zylinderwände oder Kolbenfläche trifft. Bei diesem zweiten Ausführungsbeispxel beträgt das Volumen der Zündkammer 8 nur etwa 2 bis 6 % des Volumens des Hauptbrennraumes 4, wenn sich der Kolben in der gezeigten oberen Totpunktlage befindet. Bei diesem Ausführungsbeispxel ist gegenüber dem in Pig. I dargestellten der Kraftstoffverbrauch aber auch die Abmagerungsfähigkeit geringer, d.h. die erreichbare Stickoxidemission höher.

Der Schußkanal 7 weist vorteilhafterweise einen kreisförmigen bzw. elliptischen Querschnitt auf. Bei der elliptischen Ausführung ist dann die Hauptachse der Ellipse parallel zur Wirbelachse angeordnet. Als besonders vorteilhaft hat sich gezeigt, das Verhältnis zwischen dem Durchmesser des überströmkanals und dem der Wirbelkammer ca. 0,35 bis 0,45 l/cm beträgt.

Die Zündkerze 11 soll mit ihren Elektroden 10 möglichst näherungsweise gegenüber der Eintrittsstelle des Schußkanals 7 in die Zündkammer 8 angeordnet sein. Um insbesondere die Wandgrenzschicht des Potentialwirbels zu erfassen, sollte die Massenelektrode der Zündkerze maximal nur einige Zehntel Millimeter in die Zündkammer hineinragen. Damit wird auch erreicht, daß an der Zündstelle eine geordnete Strömung niedriger Strömungsgeschwindigkeit vorliegt, was für die Zündung mit geringsten Werten für die Zündverzugszeit und deren Streuung

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maßgebend ist. Zudem bleibt bei einer solchen Anordnung nach Einleiten der Zündung die Flamme mehr oder weniger lange an der Zündkerze hängen, so daß frische Ladungsteile an ihr gezündet werden, ohne daß ein Zündfunken an der Kerze "stehen" muß.

Aufgrund der günstigen und geordneten Zündung in der Zündkammer kann die Geschwindigkeit des Flammenstrahls im überströmkanal 7 näherungsweise proportional der Drehzahl sein, so daß die Ladungsumsetzung im Hauptbrennraum näherungsweise drehzahlsynchron erfolgen kann. Hierdurch

wird erreicht, daß die leistungsgünstigsten Zündwinkel vergleichsweise wenig von Last und Drehzahl beeinflußt werden.

In Pig. 3>4 und 5 ist das den überströmkanal 7 enthaltende Teil 14 in vergrößertem Maßstab dargestellt und zwar in Fig. 3 vom Hauptbrennraum 4 aus in Fig. 4 im Schnitt und in Fig. 5 von der Zündkammer 8 aus. Statt einem überströmkanal sind hier zwei Überströmkanäle 7' angeordnet, deren Achsen einen Winkel einschließen, der vorzugsweise ungefähr 90° beträgt. Aufgrund der Verwendung zweier Überströmkanäle mit der entsprechenden Anordnung werden einerseits die guten Zündungsbedingungen im Bereich der Zündkerze erhalten^ andererseits wird aber eine Verbesserung der Zündung im Hauptbrennraum erreicht, die sich mit einer Zündung durch zwei Kerzen vergleichen läßt. Es werden zwei Bereiche in dem Hauptbrennraum durch die zwei aus der Zündkammer austretenden Strahlflammen getroffen. Was zudem eine Erhöhung der Umsatzgeschwindigkeit zur Folge hat. Hierdurch ist es möglich, wie angestrebt, das Kraftstoff-Luft-Gemisch weiter abzumagern, wodurch ein besonders günstiges Verhältnis zwischen NO -Emission und Kraftstoffverbrauch erreicht wird. Beispielsweise = 1.3-1.4.
Um besonders geringe NO -Emissionen zu erreichen, ist

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ferner eine gute Kühlung (Fig. 1 und 2) der kugelförmigen Vorkammer notwendig, wodurch die Verbrennungsspitzen^emperaturen

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in dieser vermindert werden. Damit wird die Erfahrung Rechnung getragen, daß ein großer Anteil der bei der ottomotorischen Verbrennung entstehenden Stickoxide in der unmittelbaren Umgebung der Zündstelle entstehen.

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Claims

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Ansprüche

rl./ Premdgezündete Brennkraftmaschine mit einer vom zwischen Motorzylinder, Kolben und Zylinderkopf gebildeten Hauptbrennraum abgesetzten und die Zündkerze aufnehmenden Zündkammer und mit einem den Hauptbrennraum mit der Zündkammer verbindenden tangential zur Zündkammer angeordneten Überströmkanal, dadurch gekennzeichnet, daß das für die Zündung vorgesehene Kraftstoff-Luft-Gemisch ausschließlich aus dem Hauptbrennraum (4) über den tangentialen überströmkanal (7) in die Zündkammer (8) gelangt, um dort ohne Zusatzeinspritzung (ohne Schichtung) durch Bildung eines Zylinderwirbels bzw. Potentialwirbels eine homogene Durchmischung von Luft und Kraftstoff zu erfahren.
2. Premdgezündete Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkammer (8) im wesentlichen Kugelform hat.
3· Premdgezündete Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Überströmkanäle (7) vorgesehen sind.
4. Premdgezündete Brennkraftmaschine nach Anspruch 3₉ dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelachsen der zwei Überströmkanäle (7') zum Hauptbrennraum (4) hin einen Winkel von 90 einschließen.

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5. Fremdgezündete Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkerze (11) mit der Oberkante ihrer Mittelelektrode (10) in der Wandgrenzschicht des Kraftstoff-Luft-Wirbels angeordnet ist und näherungsweise gegenüber der Einmündung des Überströmkanals (7) in die Zündkammer (8) angeordnet ist.
6. Fremdgezündete Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkammer (8) in zwei Teilen angeordnet ist, von denen der eine Teil (14) den überströmkanal (7,7') aufweist und der andere Teil (13) die Zündkerze (11) trägt und durch Einschrauben in den Zylinderkopf (3) den Teil (14) festspannt.
7. Fremdgezündete Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen den Durchmessern des Überströmkanals (7) zu dem der Zündkammer (8) 0,35 bis 0,45 beträgt.
8. Fremdgezündete Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkammer (8) besonders von Kühlwasser umspült ist,.so daß sich für niedrige Stickoxidemissionen vergleichsweise geringe Wandtemperaturen ergeben.

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