DE2522577C3 - Fremdgezündete Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine fremdgezündete, ein Betriebsgemisch aus Kraftstoff und Lufi ansaugende Brennkraftmaschine, die wenigstens einen von einem Antriebskolben begrenzten Hauptbrennraum und eine nur mit diesem durch wenigstens einen Überströmkanal verbundene, im wesentlichen rotationssymmetrisch geformte, eine Zündeinrichtung mit im Wandbereich der Zündkammer liegenden Elektroden enthaltende Zündkammer aufweist, in deren zur Symmetrieachse radialen Wand der Überströmkanal tangential so einmündet, daß in der Zündkammer eine sich um die Symmetrieachse drehende Wirbelströmung entsteht, wobei dem Hauptbrennraum die gesamte Betriebsgemischfüllung pro Arbeitstakt zugeführt wird und die Zündkammer während des Kompressiontaktes ausschließlich aus dem Hauptbrennraum mit Betriebsgemisch versorgt wird, das im wesentlichen mager eingestellt ist mit einer Luftzahl X>\.

Bei einer bekannten Brennkraftmaschine dieser Art (DE-AS 10 01 046) ist eine Zündeinrichtung im Bereich des Überströmkanals und dort innerhalb einer in der Wand des Überströmkanals vorgesehenen Ausnehmung angeordnet. Bei dieser Einbaulage der Zündkerze kann sich zum einen wegen der im Überströmkanal herrschenden hohen Strömungsgeschwindigkeit und zum anderen wegen der diskontinuierlichen Wandgestaltung (Ausnehmung) keine Grenzschichtströmung mit kraftstoffangereichertem und restgasarmen Gemisch ausbilden. Die hohe Turbulenz, die durch den Strömungsabriß an der Kante der Ausnehmung entsteht und an der Zündstelle zur Wirkung kommt, setzt der Abmagerungsmöglichkeit des Kraftstoff/Luftgemisches Grenzen. Ferner führt diese Anordnung der Zündkerze zu einem erhöhten Zündverzug, was nicht erwünscht ist Bei einer anderen bekannten Ausgestaltung der

eingangs genannten Art (US-PS 29 24 210) ist eine Zündkammer vorgesehen, bei der die Zündkerze in einer Zündkammerwand vorgesehen ist, die eine dort

ίο aufgrund des tangential einströmenden Kraftstoff/Luftgemisches gebildeten Wirbel axial begrenzt Zweck dieser Einrichtung ist es, ein gegenüber der stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Gemischzusammensetzung stark abgemagertes Gemisch noch zur sicheren Entflammung zu bringen. Dafür soll der Effekt ausgenutzt werden, daß das in der Zündkammer in Rotation gebrachte Gemisch aufgrund der Zentrifugalkräfte an der Peripherie der rotierenden Massen mit Kraftstoff angereichert wird Die Zündkerze ist dabei an der axial begrenzenden Wand im Bereich des Eintrittsquerschnitts des in die Zündkammer einmündenden Überströmkanals eingesetzt Diese Anordnung hat den Nachteil, daß das eintretende Frischgemisch, wenn es der Gemischrotation in der Zündkammer folgend, an die Zündkerze gelangt, sich bereits stark mit den in Zündkammern dieser Konstruktion vorhandenen Restgasen von der vorausgehenden Verbrennung vermischt hat, so daß die Entflammbarkeit wesentlich herabgesetzt wird. Durch die Einbaulage der Zündkerze ist ferner die Wirkung der beschriebenen Kraftstoffanreicherung sehr gering. Zudem ist die Zündkerze einer starken Turbulenz durch das zuströmende Frischgemisch ausgesetzt, was die Bedingungen zur Ausbildung einer Wandgrenzschicht stark verschlechtert und möglicherweise noch bestehende Schichtungen turbulentauflöst

In der DE-OS 23 30 613 ist eine kugelförmige Zündkammer beschrieben, bei der die Zündkerze im wesentlichen gegenüber der Verbindungsöffnung zum Hauptbrennraum angeordnet ist Diese Verbindung ist im wesentlichen nur eine öffnung, jedoch nicht ein Kanal, der geeignet wäre, eine geordnete Bewegung des Betriebsgemisches in der Zündkammer in Form eines geordneten Wirbels zu erzeugen, gemäß der eingangs definierten Gattung. Es wird, da dort lediglich durch turbulente Vermischung ein homogenes Gemisch erreicht werden soll, in das die Zündkerze zur sicheren Zündung hineinragt, nur die Entflammung eines gering abgemagerten Betriebsgemisches gewährleistet, zumal infolge eines großen Austrittsquerschnitts eine Fackelwirkung des durch die öffnung in den restlichen Brennraum austretenden Gemisches nicht gegeben ist

Bei einer anderen Ausgestaltung gemäß US-PS 38 75 909 ist eine Wirbelkammer vorgesehen, die nahezu das gesamte Kompressionsendvolumen aufnimmt, also nicht die Aufgabe hat, bei nur einem Teilvolumen des stark abgemagerten Betriebsgemisches die Entflammbarkeit sicher zu stellen, um dann mit dem entzündeten Teilgemisch in Form von aus der Zündkammer austretenden Flammstrahlen einen restlichen größeren Teil der Gesamtfüllung zu entzünden. Die Verbindung zwischen Zylinderraum und Wirbelkammer besteht dabei ebenfalls im wesentlichen aus einer öffnung nicht aus einem Kanal, wie bei der eingangs genannten Gattung. Die beschriebene Strömungsausbildung in der Wirbelkammer ist dabei hauptsächlich durch die im Zylinderraum während des Kompressionshubs des Kolbens herrschenden Strö-

mung bestimmt Dies hat den Nachteil, daß sich eine starke und geordnete Strömung mit hoher Strömungsgeschwindigkeit in der Wirbelkammer nicht ausbilden kann. Der große Oberflächen-Volumenanteil der Wirbelkammer hat große Strömlings- und Wärmeverlu- > ste zur Folge, was hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs nachteilig ist

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine derart weiterzubilden, daß die Möglichkeit geschaffen wird, die m Zündfähigkeit von dieser Brennkraftmaschine zugeführten starker abgemagerten Betriebsgemischen aus Kraftstoff und Luft zu verbessern und damit die Grenze bezüglich der Abmagerungsmöglichkeit des Betriebsgemisches (Magerlaufgrenze) auf größere Werte der Luftzahl λ hinauszuschieben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zündeinrichtung in dem Wandbereich der Zündkammer angeordnet ist, der den Wirbel in bezug auf die Wirbelachse radial begrenzt, und daß der 2» Zündfunke zwischen den Elektroden mindestens teilweise die Wandgrenzschicht des Wirbels durchdringt

Aufgrund des tangentialen Eintritts in die Zündkammer bildet sich in dieser zunächst ein sogenannter Festkörperwirbel, der zunehmend in einen Potentialwirbei übergeht Im Bereich der Wandgrenzschicht ist die Gemischgeschwindigkeit innerhalb dieses Wirbels gering und es bestehen insbesondere nur feinballige turbulente Schwankungen, d.h. die Längenmaße der vorhandenen Turbulenz sind gering, in unmittelbarer Nähe der Wand ergibt sich sogar eine laminare Strömung (laminare Unterschicht). Hinzu kommt, dab in der Wandgrenzschicht aufgrund der Zentrifugalkräfte eine lenhte Anfettung des Kraftstoff-Luft-Gemisches besteht lMes tritt in besonders starkem Maße an der Zündkammerwand auf, die den in der Zündkammer entstehenden Wirbel in bezug auf seine Achse radial begrenzt und in der die Zündeinrichtung angeordnet ist. Das in der W&ndgrenzschicht befindliche Gemisch zeichnet sich ferner dadurch aus, daß es wesentlich weniger Restgas enthält, als das Gemisch im übrigen Teil der Wirbelkammer, da es zu einem vergleichsweise späten Zeitpunkt aus der Hauptbrennkammer in die Zündkammer übergeschoben wird. Denn durch die gute Spülung des Hauptbrennraumes befinden sich dort wesentlich weniger, die Entflammung behindernde Restgasanteile, als im Mittel in der Zündkammer auftreten können. In dieser Wandgrenzschicht sind die Elektroden der Zündkerze angeordnet, so daß beste Bedingungen für ein Entflammen auch sehr magerer Kraftstoff-Luft-Gemische gegeben sind. Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung, daß der Zündfunke zwischen den Elektroden mindestens teilweise die Wandgrenzschicht des Wirbels durchdringt, wird erreicht, daß, da nach Zündung das verbrannte Gemisch zum Zentrum der Wirbelkammer (Zündkammer) strebt, das unverbrannte Gemisch an der Zündkerze vorbeigezogen wird, so daß eine besonders günstige vollständige Zündung des Zündgemisches und eine schnelle Umsetzung des in der Zündkammer befindlichen 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 Die genannten Gründe bewirken, daß die Zündverzugszeit (Zeit zwischen Funkenüberschlag und Ausbreitung der Flammenfrunt) sehr viel geringer und wegen der starken Wirbelbewegung der Ladung die Umsetzgeschwindigkeit in der Wirbelkammer um ein Vielfaches höher ist als bei üblichen Motoren.

Aufgrund des steilen Druckanstiegs ist eine Annäherung an den Idealprozeß, d. h. an den 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 Zündungsund 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 Hauptbrennraum befindlichen mageren Gemisches sehr gering, was sich auch insbesondere in geringer Klopf neigung des Motors auswirkt

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

F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel mit im Zylinderkopf angeordneter Zündkammer,

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

F i g. 3, 4 und 5 ein Teil der Zündkammer mit zwei Überströmkanälen.

In einem Motorzylinder 1 ist ein Motorkolben 2 angeordnet, der mit dem Zylinderkopf 3 den Hauptbrennraum 4 begrenzt Über eine in den Hauptbrennraum mündende Saugleitung 5, die durch das Motoreinlaßventil 6 gesteuert wird, gelangt durch eine nicht dargestellte Anlage zugemessen ein mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch während des Saughubs des Motorkolbens 2 in den Hauptbrennraum 4. Während des Verdichtungshubes des 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 in 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 entstehenden Potentialwirbels 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 spiralförmige Flamme durch Konvektion mit unverbrannten Gasen zusammentrifft. Eine ähnlich vorteilhafte Zündung wird bei der Verwendung einer scheibenförmigen Zündkammer statt einer kugelförmigen Zündkammer erreicht, wobei sich ähnliche Verhältnisse einstellen. Eine solche Anordnung

ist im speziellen Fall günstiger in einem Zylinderkopf anzuordnen.

Nach Zündung des Gemisches erfolgt über den Überströmkanal 7 eine Zündung des gleich mageren Kraftstoff-Luftgemisches im Hauptbrennraum 4. Hierbei beträgt das Verhältnis von Zündkammervolumen zu Gesamtvolumen des Brennraums wenn der Kolben 2 die gezeigte obere Totpunktstellung einnimmt, Us bis '/4, was sich in einem etwas stärkeren Kraftstoffverbrauch, jedoch in einer Abnahme der NO^-Emission auswirkt.

In F i g. 2 ist die Zündkammer 8 je zum Teil in den Teilen 13 und 14 angeordnet, von denen das Teil 13 als Schraubteil ausgebildet ist, das das Teil 14 im Zylinderkopf 3 festspannL Das Teil 13 ist von außerhalb des Motors zugängig und trägt die ebenfalls dadurch leichter zugängige Zündkerze 11. Aufgrund der bei dieser Ausgestaltung gegenüber der in F i g. 1 dargestellten Ausgestaltung stärker geneigten Anordnung des Überströmkanals in bezug auf die Achse des Motorzylinders wird vom Flammstrahl, der über den Überströmkanal in den Hauptbrennraum eintritt, ein größtmöglicher Teil des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Hauptbrennraum erfaßt und es wird außerdem vermieden, daß der Strahl unmittelbar auf die Zylinderwände oder die Kolbenfläche trifft Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel 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 Ausführungsbeispiel ist gegenüber dem in F i g. 1 dargestellten der Kraftstoffverbrauch aber auch die Abmagerungsfähigkeit geringer, d.h. die erreichbare Stickoxidemission höher.

Der Überströmkanal 7 weist vorteilhafterweise einen kreisförmigen bzw. elliptischen Querschnitt auf. Bei der elliptischen Ausführung ist dann die Hauptachse der Ellipse parallel zur Achse des in der Zündkammer entstehenden Wirbels angeordnet

Die Zündkerze 11 soll mit ihren Elektroden 10 möglichst näherungsweise gegenüber der Eintrittsstelle des Überströmkanals 7 in die Zündkammer 8 angeordnet sein. Um mit dem Zündfunken die Wandgrenzschicht des Potentialwirbels zu erfassen, sollte die Massenelektrode, also die am weitesten in die Zündkammer ragende Elektrode von beiden Elektroden, 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 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 Strömung 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 Fig.3, 4 und 5 ist das den Überströmkanal 7 enthaltende Teil 14 in vergrößertem Maßstab dargestellt, und zwar in F i g. 3 vom Hauptbrennraum 4 aus in F i g: 4 im Schnitt und in F i g. 5 von der Zündkammer 8 _ aus. Statt einem Überströmkanal sind hier zwei Überströmkanäle T angeordnet, deren Achsen einen Winkel einschließen, der vorzugsweise ungefähr 90° beträgt. Aufgrund der Verwendung zweier Öberströmkanäle 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 zugleich zwei Bereiche in dem Hauptbrennraum durch die zwei aus der Zündkammer austretenden Flammstrahlen 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 λ =13—1.4.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Fremdgezündete, ein Betriebsgemisch aus Kraftstoff und Luft ansaugende Brennkraftmaschine, die wenigstens einen von einem Antriebskolben begrenzten Hauptbrennraum und eine nur mit diesem durch wenigstens einen Überströmkanal verbundene, im wesentlichen rotationssymmetrisch geformte, eine Zündeinrichtung mit im Wandbereich der Zündkammer liegenden Elektroden enthaltende Zündkammer aufweist, in deren zur Symmetrieachse radialen Wand der Überströmkanal tangential so einmündet, daß in der Zündkammer eine sich um die Symmetrieachse drehende Wirbelströmung entsteht, wobei dem Hauptbrennraum die gesamte Betriebsgemischfüllung pro Arbeitstakt zugeführt wird und die Zündkammer während des Kompressiontaktes ausschließlich aus dem Hauptbrennraum mh Betriebsgemisch versorgt wird, das im wesentlichen mager eingestellt ist mit einer Luftzahl A> 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündeinrichtung in dem Wandbereich der Zündkammer angeordnet ist, der den Wirbel in bezug auf die Wirbelachse radial begrenzt und daß der Zündfunke zwischen den Elektroden mindestens teilweise die Wandgrenzschicht des Wirbels durchdringt

2. Fremdgezündete Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkammer (8) im wesentlichen Kugelform hat

3. Fremdgezündete Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündeinrichtung (11) näherungsweise gegenüber der Einmündung des Überströmkanals (7) in der Zündkammer (8) angeordnet ist.