DE2602127C2

DE2602127C2 - Fremdgezündete Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2602127C2
Application number: DE2602127A
Authority: DE
Inventors: Yoshimasa Yokohama Hayashi; Yasuo Yokosuka Nakajima; Tooru Yokosuka Yoshimura
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1975-01-22
Filing date: 1976-01-21
Publication date: 1986-11-27
Also published as: DE2602127A1; FR2298692A1; US4459804A; GB1520933A; FR2298692B1; IT1053346B; SE7600609L; CA1054879A; SE422826B

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine fremdgezündete, mit innerer Verbrennung arbeitende Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Pa

tentanspruchs 1.

Aufgrund der in den letzten Jahren sich ergebenden Verteuerung von Kraftstoff einerseits und einem zunehmenden Umweltbewußtsein andererseits besteht weitgehend ein Bedarf nach Kraftfahrzeugmotoren, welche mit geringen Kraftstoffmengen betrieben werden können, wobei eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs gleichzeitig zu einer entsprechenden Verringerung der erzeugten Abgasmengen führt

ίο In den Abgasen von mit Benzin betriebenen inneren Brennkraftmaschinen sind bekanntlich neben dem während des Verbrennungsvorgangs erzeugten Kohlendioxid in geringeren Mengen auftretende Schadstoffe in Form von Kohlenmonoxid, gasförmigen Kohlenwasserstoffen sowie Stickoxide vorhanden. Da eine nachträgliche Entfernung dieser Schadstoffe aus den Abgasen einer inneren Brennkraftmaschine nur mit relativ hohem technischen Aufwand durchführbar ist, — bei den beispielsweise in den USA derzeit herrschenden Emissionsbestimmungen kann dies vielfach nur unter Einsatz entsprechender katalytischer Anlagen erreicht werden — erscheint die kostengünstigere Alternative darin zu bestehen, daß der Verbrennungsvorgang innerhalb von inneren Brennkraftmaschinen derart beeinflußt wird, daß diese Schadstoffe während des Betriebs des Motors gar nicht oder nur in sehr geringen Mengen erzeugt werden.

Eine Vesringerung der Schadstoffemission von inneren Brennkraftmaschinen ergibt sich ganz zwangsläufig durch Optimierung der Verbrennungsabläufe innerhalb der Brennkammern des betreffenden Motors, worin das den Brennkammern zugeführte Kraftstoff-Luft-Gemisch möglichst mager eingestellt wird. Dabei hat es sich jedoch gezeigt, daß bei Gemischzusammensetzungen im Bereich des stöchiometrischen Verhältnisses, bei welchem die Kohlenmonoxid- und Kohlenwasserstoffemission minimale Werte einnimmt, unglücklicherweise die Emission an Stickoxiden ein Emissionsmaximum aufweist Diese hohen Emissionswerte von Stickoxiden werden dabei einerseits durch die bei mageren Kraftstoff-Luft-Gemischen auftretenden, erhöhten Verbrennungstemperaturen und andererseits durch das vergrößerte Sauerstoffangebot während des Verbrennungsvorgangs hervorgerufen.

Um trotz dieses Sachverhalts eine innere Brennkraftmaschine zu schaffen, welche unter Einsatz magerer Kraftstoff-Luft-Gemische niedrige Emissionswerte an Stickoxiden aufweist, ist es in diesem Zusammenhang bereits bekannt, (siehe DE-Z >MTZ«, Motortechnischc Zeitschrift 34 (1973), Heft 1, S. 7-11), eine Abgasrückführung an die Einlaßseite und/oder eine Mehrfachzündung der einzelnen Brennkammern durchzuführen. Durch die zuerst genannte Maßnahme wird dabei die Verbrennungstemperatur abgesenkt, während durch die zweite Maßnahme eine Verkürzung der Verbrennungsdauer und damit der Reaktionsdauer für die Bildung der Stickoxide zustandekommt, so daß beide Maßnahmen zu einer Verringerung der Stickoxidemission beitragen. Entsprechend der DE-Z »MTZ«, Motorlechnische Zeitschrift 29 (1968), Heft 9, S. 355-365 betrugen dabei Hie v?rwend?t<?n Abgasrückführmengen in etwa 15%, wobei der Grund für die Beschränkung der maximal verwendeten Abgasrückführmengen wahrscheinlich darin zu suchen ist, daß bei Einsatz höherer Abgasrückführmengen ein stabiler Betrieb der inneren Brennkraftmaschine nicht mehr aufrechterhalten werden konnte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

frcmdgezündeie Brennkraftmaschine zu schaffen, welche mil sehr geringem Kraftstoffverbrauch und unter Abgabe von verhältnismäßig kleinen Emissionsmengen von Schadstoffen stabil betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgomäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst

Im Rahmen von Untersuchungen, welche zu der vorliegenden Erfindung geführt haben, konnte festgestellt werden, daß bei Verwendung von relativ mageren Kraftstoff-Luft-Gemischen im Bereich des als wünschenswert erscheinenden stöchiometrischen Verhältnisses durch besondere Anordnung von jeweils zwei Zündkerzen pro Zylinder die innerhalb der einzelnen Brennkammern stattfindenden Verbrennungsatläufe derart beeinflußt werden können, daß überraschenderweise selbst bei Einsatz von EGR-Raten von max. 50% ein stabiler Betrieb der inneren Brennkraftmaschine aufrechterhalten werden kann. In diesem Zusammenhang durchgeführte Messungen haben daLei gezeigt, daß bei Einsatz von EGR-Rückführraten von 25—40% in Verbindung mit einer besonderen Anordnung der Zündkerzen und mageren Kraftstoff-Luft-Gemischen sehr niedrige Stickoxidemissionsmengen Zustandekommen.

Eine gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildete Brennkraftmaschine kann somit in einer Funktionsniesche betrieben werden, in welcher das im Bereich des stöchiomelrischen Verhältnisses verwendete Kraftstoff-Luft-Gemisch den erwünschten niedrigen Kraftstoffverbrauch in Verbindung mit niedrigen Emissionswerten von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen ergibt, die eingesetzten relativ hohen Werte einer Abgasrückführung mit EGR-Raten im Bereich zwischen 25 und 40% die gewünschte Reduzierung der Stickoxidemission hervorrufen und schließlich die besondere Anordnung der Zündkerzen selbst unter Einsatz der erwähnten relativ hohen EGR-Raten einen stabilen Betrieb der betreffenden inneren Brennkraftmaschine gewährleisten.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich anhand der Unteransprüche.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind anhand der nachfolgenden Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt

F i g. 1 eine schematische Draufsicht auf eine fremdgezündete Mehrzylinder-Brennkraftmaschine,

F i g. 2 eine Vertikalschnittansicht des Zylinderkopftcils eines Zylinders der Brennkraftmaschine nach IMg. 1,

F i g. 3A und 3B jeweils eine Draufsicht und eine Vertikalschnittansicht eines Zylinders,

F i g. 4A und 4B jeweils eine Draufsicht und Vertikii Ischnittansicht ähnlich den F i g. 3A und 3B,

Fi g. 5A und 5B Vertikalschnittansichten von speziellen Zylinderausbildungen,

F i g. 6 eine Horizontalschnittansicht des oberen Teils der in F i g. 1 gezeigten Brennkraftmaschine,

F i g. 7 ein Diagramm zur Verdeutlichung des NO*- Emissionsgrads in Abhängigkeit von der Verbrennungszeit und der Verbrennungstemperatur,

F i g. 8 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Druckänderung in der Brennkammer in Abhängigkeit von dem Kurbelwellen-Drehwinkel,

F i g. 9 ein Diagramm zur Verdeutlichung des Zusammenhangs von Brennstoffverbrauchs-Zunahme und Abgasrückführungsrate, und

Fig. 10 ein Diagramm zur Verdeutlichung des Zusammenhangs zwischen der NCVEmission in Abhängigkeit von der Brennstoffverfaraudis-Zunahme und der Abgasrückführungsrate.

In Fig. 1 ist eine fremdgezündete Mehrzylinder-Brennkraftmaschine gezeigt, die insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Die Brennkraftmaschine weist im vorliegenden Fall vier Zylinder Q bis G auf, von denen jeder in seinem Inneren in herkömmlicher Art eine Brennkammer (nicht dargestellt) enthält Die Brennkraftmaschine 10 ist mit einem Vergaser 12 oder mit einer anderen Luft-Brennstoff-Gemischzufuhreinrichtung ausgerüstet, welche über eine Einlaßleitung 14 mit den Einlaßöffnungen I63 bis 16c/der Zylinder C\ bis G in Verbindung steht Der Vergaser 12 ist so konstruiert und ausgelegt, daß er ein Luft-Brennstoff-Gemisch im Bereich von 13 :1 bis 16 :1 erzeugt und in die Brennkammern fördert Die Auslaßöffnungen 18a bis 18c/ der Zylinder G bis G stehen über gegabelte und durch den Zylinderkopf 34 der Brennkraftmaschine 10 hindurchführende Kanäle 22a und 22b mit einer Auspuffleitung 20 in Verbindung. Die Auspuffleitung 20 funktioniert in diesem Falle als thermischer Reaktor. Es ist aber einzusehen, daß die Auspuffleitung 20 nicht die Funktion eines thermischen Reaktors übernehmen, sondern nur als Auspuffleitung dienen soll. In diesem Falle kann der bloßen Auspuffleitung ein thermischer Reaktor oder ein katalytischer Konverter nachgeschaltet sein.

Mit der Auspuffleitung 20 ist eine Leitung 26 verbunden, welche einen Teil einer Abgasrückführeinrichtung bildet, wobei diese Leitung dazu dient, einen Teil der aus den Zylindern ausgestoßenen Abgase wieder in die Zylinder zurückzuführen, indem der Teil dieser Abgase in die in die Zylinder eintretende Ansaugluft oder Einlaßluft eingeführt wird, und welche Leitung 26 deshalb über ein Ventil 28 zum Steuern der Abgasrückführung (EGR) mit der Einlaßleitung des Vergasers 12 verbunden ist. Bekanntlich ändert sich die EGR-Menge in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine und es sind höhere EGR-Raten während des Zeitpunkts vergrößerter Abgabeleistung, wie bei der Beschleunigung erwünscht. Zu diesem Zeitpunkt wird verstärkt NO* erzeugt. Das Steuerventil 28 ist dazu vorgesehen, die Menge der rückgeführten Abgase zu steuern, z. B. in Abhängigkeit von dem Ansaug-Unterdruck, welcher in Beziehung steht mit der Menge an Ansaugluft oder Einlaßluft. Das Steuerventil 28 ist so konstruiert und ausgelegt, daß es den Mengenanteil der in die Zylinder rückgeführten Abgase in Abhängigkeit von der Menge der Ansaugluft (= die Menge des Luftstroms, der in die Motorzylinder fließt) in der Größenordnung von 10 bis 50 Vol.-%, vorzugsweise in der Größenordnung von 15 bis 17 Vol.-% bei mittleren Brennkraftmaschinenbetriebsbedingungen und 25 bis 40 Vol.-% bei maximalen Brennkraftmaschinenbetriebsbedingungen einpegelt. Diese Mengen sollen im folgenden als EGR-Raten bezeichnet werden. Selbstverständlich werden die Abgase zur Brennkammer der Brennkraftmaschine mit dem obengenannten hohen EGR-Ratenbereich zurückgeführt, wenn die NO-Bildung beispielsweise bei der Beschleunigung der Brennkraftmaschine beträchtlich ansteigt. Wenn auch nur der Vergaser 12 als Luft-Brennstoff-Gemischzuführungseinrichtung dargestellt und beschrieben worden ist, ist es doch offensichtlich, daß auch ein Brennstoff-Einspritzsystem verwendet werden kann.

F i g. 2 stellt die Zylinderkopfkonstruktion des Zylinders C2 dar. Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, ist ein Auslaßventil 30 mit einem Ventilkopf 30a in Funktionsstellung in der Auslaßöffnung 186 angeordnet, die ein

Teil eines sich gabelnden Kanals 22a bildet. Durch den Zylinderkopf 34 sind zwei Zündkerzen 32a und 326 hindurchgesteckt, welche sich soweit in die Brennkammer 36 erstrecken, daß sie nahe der Peripherie der Brennkammer 36 und in gegenseitigem Abstand von der Mittelachse Ac angeordnet sind, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.

Mit der vorstehend erwähnten Anordnung wird das Luft-Brennstoff-Gemisch, welches eine beträchtliche Menge an unverbrennbaren, rückgeführten Abgasen enthält, mit Hilfe einer hohen Zündenergie, welche durch die zwei Zündkerzen erzeugt wird, in der Brennkammer 36 wirkungsvoll und zuverlässig verbrannt werden, wobei die Zündungen durch die zwei Zündkerzen entweder gleichzeitig oder innerhalb der Zündzeit nacheinander ausgeführt werden können. Hierzu wird entsprechend die Anzahl der innerhalb der Brennkammer angeordneten Zündkerzen in Übereinstimmung mit dem Anstieg des Maximalwertes der EGR-Rate festgelegt. Wenn das Luft-Brennstoff-Gemisch durch die vorstehend erwähnten zwei Zündkerzen gezündet wird, wird es in der Brennkammer verbrannt, so daß Flammenfronten nahe der inneren Wandoberfläche der Brennkammer, der sogenannten Quetschzone, erzeugt werden. Diese bewegen sich zum Zentrum der Brennkammer hin und erhitzen sich auf eine höhere Temperatur. Dadurch wird die Funkenstrecke verkürzt, verglichen mit üblichen Brennkraftmaschinen mit nur einer Zündkerze in jeder Brennkammer. Diese Verbrennung vollzieht sich schneller und vollständiger im mittleren Bereich der Brennkammer bei einer hohen Temperatur, wodurch eine stabile und gleichmäßige Verbrennung erreicht wird. Das ergibt einen ruhigen Lauf der Brennkraftmaschine auch wenn beträchtliche Mengen von Abgasen in der Brennkammer vorhanden sind. Die verkürzte Verbrennungszeit führt zu einer Erniedrigung der Emissionsrate an Stickstoffoxyen (NO₁) in den Abgasen, weil die Emissionsrate mit der Verkürzung der Verbrennungszeit eine abnehmende Tendenz zeigt, wie dies aus F i g. 7 ersehen werden kann. Außerdem wird auch die Emissionsrste der Kohlenwasserstoffe (HC) wirksam herabgesetzt, weil die Verbrennung in der Brennkammer von der sogenannten Quetschzone aus erfolgt, d. h. einer Fläche, welche auf eine Temperatur gekühlt wird, bei welcher Temperatur die Flamme an sich erlischt. Es hat sich gezeigt, daß diese Brennkraftmaschine auch noch stabil betrieben werden kann, wenn eine beachtenswert hohe EGR-Rate, etwa 40%, in der Praxis angewandt wird; denn gewöhnlich können Brennkraftmaschinen, welche nur eine Zündkerze pro Brennkammer haben, schon bei einer EGR-Rate von mehr als 6 bis 7% nicht immer stabil betrieben werden.

Der NO,-Abnahmeeffekt durch die Steigerung der EGR-Rate macht einen Brennkraftmaschinenbetrieb bei einem Luft-Brennstoff-Gemisch mit einem Luft-Brennstoff-Verhältnis nahe dem stöchiometrischen Verhältnis (15:1 für Benzin oder Petrol) möglich, bei welchen der Brennstoffverbrauch optimiert ist. Versuche haben auch gezeigt, daß Brennstoffe mit einer niedrigen Oktanzahl verwendet werden können, wenn die EGR-Rate hoch ist. Außerdem kann ein Brennstoff mit einer niedrigen Oktanzahl in der Brennkraftmaschine verwendet werden, ohne daß ein Klopfen auftritt. Demzufolge kann das Kompressionsverhältnis der Brennkraftmaschine auf 8 oder 10:1 erhöht werden, was zu einem Ansteigen der Abgabeleistung beiträgt. Die das Klopfen der Brennkraftmaschine unterdrückende Tendenz erlaubt es, die obere Grenze der Kühltemperatur auf ungefähr 80 bis 120° anzuheben. Deshalb ist die innere Wand der Brennkammer nicht übermäßig stark gekühlt und auf einer relativ hohen Temperatur gehalten. Daraus folgt eine Abnahme der Emissionsrate von HC, welche sich nun bevorzugt an den inneren Wänden der Brennkammer bilden.

Bezüglich Fig.8 ist der Zündzeitpunkt der Brennkraftmaschine nur minimal vorgestellt, um das beste Drehmoment (MBT) zu erreichen. Deshalb liegt der Zündzeitpunkt sehr nahe bei dem oberen Totpunkt (TDC), d. h. bei einem Punkt P₁ und mit 10° bis 15° näher an TDC als der Punkt Pb einer üblichen Brennkraftmaschine wie klar ersichtlich ist. Dies ist möglich, weil die Brennzeit in der Brennkammer verkürzt ist und der Druck in der Brennkammer weit schneller seinen Höchstwert erreicht Diese Zündverteilung im Sinne einer Frühzündung macht eine Reduzierung des Energieverlustes möglich, welche durch den schräg linierten Bereich in Fig.8 dargestellt ist. Die Kurven a und b zeigen die Druckveränderungen in den Brennkammern in Abhängigkeit vom Kurbelwellendrehwinkel. Mit anderen Worten heißt das, daß die Brennkraftmaschine weit wirtschaftlicher ist.weil weniger Kraft auf den Kolben wirkt, bevor dieser seinen oberen Totpunkt erreicht.

Als Ergebnis der obengenannten wirtschaftlichen Ausnutzung der Brennstoffenergie ist der Brennstoffverbrauch der Brennkraftmaschine merklich günstiger als der einer üblichen Brennkraftmaschine, wie dies aus Fig.9 hervorgeht, in welcher die Kurven a und b die ansteigende Brennstoffverbrauchsrate einer Brennkraftmaschine nach der Erfindung bzw. einer üblichen Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von der EGR-Rate zeigen.

Fig. 10 zeigt die ansteigende Brennstoffverbrauchsrate in Abhängigkeit vom NOj-Emissionsgrad und der EGR-Rate, wobei die Kurven a und b Beispiele für eine Brennkraftmaschine nach der Erfindung bzw. für eine übliche Brennkraftmaschine darstellen. Es ist bekannt, daß der Emissionsgrad von NO* durch Einführen eines Luft-Brennstoff-Gemisches mit einem Luft-Brennstoff-Verhältnis nahe dem stöchiometrischen Verhältnis seinen größten Wert annimmt während er abnimmt, wenn das Luft-Brennstoff-Gemisch abgemagert oder angereichert wird. Es hat sich gezeigt, daß die Verbrennung instabil wird, wenn eine Abgasrückführung erfolgt, so daß die Brennkraftmaschine nach der Erfindung mit einem Luft-Brennstoff-Gemisch versorgt werden muß, dessen Luft-Brennstoff-Verhältnis zwischen 13:1 und 16:1 liegt Die Kurve au welche von der Kurve α abzweigt, zeigt den Betrieb mit einem Luft-Brennstoff-Gemisch im stöchiometrischen Verhältnis und die Kurven 32, a3 und a>, zeigen den Betrieb mit einem schrittweise angereicherten Gemisch. Wie aus der Figur ersichtlich ist wird bei Ansteigen der EGR-Rate der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine die Emissionsrate von NO., verkleinert, wobei jedoch der Brennstoffverbrauch ansteigt Jedoch ist mit einer üblichen Brennkraftmaschine wegen des Auftretens von Fehlzündungen, welche in den Kurven b\ bis 64 in Fig. 10 mit dem Symbol χ bezeichnet sind, es nicht möglich, bei einer hohen EGR-Rate zu arbeiten. Diese Fehlzündungen beschränkt die ΝΟ,-Emissionssteuerung durch die Abgasrückführung auf einen bestimmten Wert wie durch das Symbol χ angedeutet ist weshalb auch die übliche Brennkraftmaschine reichere Luft-Brennstoff-Gemische als durch die Kurven bi, bi und Zj₄ angedeutet ist erfordert um die Emissionsrate von NO, zu senken. Dem/.ufolnc ist eine

Verschlechterung bei der wirtschaftlichen Brennstoffiiusnut/.ung bei den üblichen Brennkraftmaschinen unvermeidlich.

Die F i g. 3A und 3B zeigen im Detail die Lage der Zündkerzen in dem Zylinder C2, in welchem zwei Zündkerzen 32a und 32b innerhalb einer Brennkammer 36 mit flacher Wandung oder einer ebenen zylindrischen Gestall angeordnet sind. Die Brennkammer 36 ist im Zylinder C2 durch den Zylinderkopf 34 und die Oberseite des Kolbens 38 bestimmt, welcher innerhalb des Zylinders C2 hin- und hergehend beweglich angeordnet ist. Am Zylinderkopf 34 sind der Ventilkopf 29a des Einlaßventils und der Ventilkopf 30a des Auslaßventils 30 funktionsmäßig angeordnet. Die Einlaß- und Auslaßöffnungen 166, 18b stehen mit der Brennkammer 36 über die Einlaß- und Auslaßventile jeweils in Verbindung, welche durch den Einlaßventilkopf bzw. durch den Auslaßventilkopf geöffnet und geschlossen werden können. Wie außerdem gezeigt ist, sind die zwei Zündkerzen 32a und 32b so angeordnet, daß ihre Elektrode (kein Bezugszeichen) soweit wie möglich von der Mittelachse Ac der Brennkammer 36 oder des Zylinders C2 entfernt und auch voneinander räumlich getrennt ist. Außerdem liegen die Elektroden dieser Zündkerzen 32a und 32b bezüglich dieser Mittelachse Ac der Brennkammer einander gegenüber und haben im wesentlichen den gleichen Abstand gegenüber dieser Mittelachse Ac. Die Elektroden der Zündkerzen 32a und 326 können auch ungleichen Abstand von der Mittelachse Ac haben. Versuche zeigen nämlich, daß die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine am stabilsten läuft, wenn die zwei Zündkerzen wie folgt angeordnet sind: Es sei angenommen, daß der Radius der Brennkammer Q gleich R ist und daß die kleinsten Entfernungen der Elektroden der zwei Zündkerzen 32a und 32b von der Mittelachse Ac gleich r sind, dann liegt jede der Zündkerzen im Bereich von r/R = 0,3 bis 1,0. Außerdem definieren die Elektroden der zwei Zündkerzen einen Winkel von 140° bis 180° im Hinblick auf die Mittelachse Acder Brennkammer 36.

Bei den üblichen Brennkraftmaschinen ist die Brennkammer mit einer Ladungsschichtungsfläche ausgestattet, durch welche das Luft-Brennstoff-Gemisch in der Brennkammer zur Verwirbelung gezwungen und dadurch wirkungsvoller verbrannt wird. Jedoch besteht bei den üblichen Brennkraftmaschinen das Problem, daß die Emissionsrate von Kohlenwasserstoffen (HC) durch die Anwendung einer komplizierten Brennkammerkonstruktion, d. h. einer Brennkammer mit einer Ladungsschichtungsfläche, ansteigt Bei der Erfindung wird vorzugsweise eine einfache Brennkammerkonstruktion angewandt, welche nicht mit einer Ladungsschichtungsfläche ausgestattet ist Aus diesem Grunde ist die Brennkammer 36, welche durch die innere Oberfläche des Zylinderkopfes 34 bestimmt ist, grundsätzlich oder im wesentlichen in Form eines Rotationskörpers ausgebildet, dessen Achse mit der Mittelachse Ac des Zylinders fluchtet Solche Formen von Brennkammern sind beispielsweise in den F i g. 3A bis 5B dargestellt, von denen die Fig.3A und 3B eine flache Wandung haben, die Fig.4A und 4B den Halbkugel-Typ und die Fig.5A und 5B Typen zeigen, bei denen vertiefte Kolben 38' bzw. 38" vorgesehen sind Wie in den F i g. 3A, 4B,^: 5A und 5B gezeigt ist, sind die Oberflächen der Kolben 38 nicht konvex in Richtung des Mittelteils der Brennkammer oder so ausgebildet daß sie nicht in die Brennkammer vorstehen. Daher wird diese Form als »nicht-konvex« bezeichnet Die Vereinfachung der Form der Brennkammer führt zu einer Abnahme des Verhältnisses der Oberfläche 5 der Brennkammer gegenüber dem Volumen V derselben, d. h. dem Verhältnis S/V. Die Quetschzone und demzufolge die Kohlenwasserstoff-Emissionsraten nehmen somit ab. Außerdem kann die einfache Konstruktion der Brennkammer sehr einfach auf maschinelle Weise hergestellt werden, verglichen mit einer Brennkammer mit komplizierteren Ausbildungen. Demzufolge ist es einfacher, die Wirkungsvolumina einer Mehrzahl von Brennkammern bei einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine zu vereinheitlichen. Eine weitere Abnahme in der Kohlenwasserstoff-Emissionsrate wird durch eine glatte Oberfläche der Brennkammer erzielt, was durch Einsschleifen erreicht wird, wobei dieses Einschleifen erst möglich ist, wenn eine einfache Konstruktion verwendet wird.

Zur weiteren Verbesserung der Wirkung kann jede der Zündkerzen 32a und 32b vorzugsweise eine hohe Zündenergie im Bereich von 25 bis 100 mj liefern, um das in der Brennkammer vorhandene Luft-Brennstoff-Gemisch zuverlässig zu zünden. Eine in einer üblichen Brennkraftmaschine verwendete Zündkerze kann gewöhnlich ungefähr 20 mj erzeugen, die in Übereinstimmung mit dem Volumen der Brennkammer geringfügig verändert werden können.

Fig.6 zeigt die Auslaßöffnungsanordnung, welche die Entwicklung von HC und CO günstig regeln soll. Wie ersichtlich ist, sind die zwei Auslaßöffnungen der zwei benachbarten Zylinder, z. B. Ci und Ci, im Zylinderblock 24 zusammengefaßt und ineinander verzweigt um eine sich gabelnde Auslaßöffnung 22a zu bilden. In Anbetracht dieser sich gabelnden öffnungen ist die Auslaßtemperatur relativ hoch gehalten, d. h. Experimente zeigen, daß die Auslaßtemperatur 100 bis 150° C höher gehalten ist als bei anderen Konstruktionen der Auslaßöffnungen. Demzufolge können die unverbrannten HC- und CO-Anteüe in den Abgasen im Auspuffsystem 20 der Brennkraftmaschine 10 verbrannt werden, wobei sie aber auch noch anschließend wirksam durch einen Nachbrenner, wie z. B. einen katalytischen Konverter oder einen thermischen Reaktor, verbrannt werden, welcher an das Auspuffsystem 20 angeschlossen werden kann. In diesem Zusammenhang wird bei einer üblichen Brennkraftmaschine der Zündzeitpunkt verzögert, um die Auslaßtemperatur hoch zu halten. Auf der anderen Seite erfordert die Brennkraftmaschine nach der vorliegenden Erfindung aus den im Vorstehenden angegebenen Gründen nicht dieses Verzögern des Zündzeitpunktes, um die Emissionsrate des unverbrannten HC und CO zu erniedrigen und deshalb ist der Zünd-Zeitpunkt der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine auf optimale Bedingungen eingestellt, bei denen die Abgabeleistung und die Brennstoffwirtschaftlichkeit nicht verschlechtert werden. Die Einführung der gegabelten Öffnungen trägt zur Lösung des Problems des Brennkraftmaschinenbetriebs mit einer hohen EGR-Rate bei, wobei die NO^-Emissionsrate vermindert, die Emissionsraten von HC und CO aber erhöht werden können. Es versteht sich von selbst, daß mehr als zwei Auslaßöffnungen auf diese Weise verbunden werden können, obwohl dies nicht besonders dargestellt ist. Wie aus F i g. 6 ersichtlich ist sind die Zentren Q und C_eder Einlaß- und Auslaßventilköpfe einander gegenüberliegend und in einem Abstand von einer Ebene (kein Bezugszeichen) angeordnet die eine Achse A_x enthält die durch die Mittelachse A_c des Zylinders geht, wobei die Ebene senkrecht zu einer Ebene ist, die eine Längsachse A, des Zylinderkopfs enthält und durch die Mittelachse A_c des Zylinders geht

In den Beispielen der F i g. 1 und 6 wird der die Temperatur aufrechterhaltende Effekt der Abgase in Folge der sich gabelnden öffnungen dadurch begünstigt, daß der Zylinderkopf aus Gußeisen hergestellt wird, welches eine relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit besitzt. Wenn der Zylinderkopf jedoch aus einer Aluminiumlegierung hergestellt wird, ist es vorteilhaft, zur Vermeidung eines Temperaturabfalls in den Auslaßkanälen geeignete Kanalausfütterungen 23 einzubauen, wie dies in F i g. 6 dargestellt ist. Es versteht sich, daß die Verwendung von Kanalausfütterungen sehr wirkungsvoll zur Aufrechterhaltung der Abgas-Temperatur ist, insbesondere wenn die sich gabelnde Kanalausbildung nicht angewandt wird. Das Auspuffsystem der Brennkraftmaschine kann außerdem mit einem Turbolader ausgerüstet sein, weleher eine durch die hocherhitzten, aus den sich gabelnden Kanälen ausströmenden Abgase angetriebene Turbine aufweist, wodurch die Energie der hocherhitzten Abgase wirkungvoll zurückgewonnen werden kann.

Wie aus den Fig. 1 und 6 ersichtlich ist, weist die Brennkraftmaschine 10 einen Kreuzfluß-Einlaß-Auslaß-Zylinderkopf auf, in welchem die Einlaßöffnung 16a auf der einen Seite des Zylinderkopfes 34 der Brennkraftmaschine 10 ausgebildet ist, um mit dem Schieber der Einlaßleitung 14 verbunden zu sein, wohingegen die Auslaßöffnung 18a auf der gegenüberliegenden Seite dieses Zylinderkopfes vorgesehen ist, um mit dem Schieber der Auslaßleitung 20 verbunden zu sein. Diese Ausbildung der Einlaß- und Auslaßöffnungen trägt zu einem Anstieg des Reinigungswirkungsgrades und des volumetrischen Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine bei, was die sichere Verbrennung in der Brennkammer begünstigt und die Abgabeleistung verbessert. Deshalb wird die Abgabeleistung auch nicht verringert, selbst wenn die EGR-Rate beachtlich hoch ist, obwohl ein Abfallen der Abgabeleistung bei einer hohen EGR-Rate bei den üblichen Brennkraftmaschinen unvermeidlich ist. Dank der Kreuzfluß-Einlaß-Auslaß-Zylinderkopfkonstruktion wird der Auslaßkanal durch die angesaugte Luft, welche durch den Einlaßkanal einströmt, nicht abgekühlt und dementsprechend wird auch die thermische Oxidationsreaktion von HC und CO im Auspuffsystem nicht beeinträchtigt.

Um eine effektivere Kontrolle der Luftverunreinigung zu ermöglichen, kann das Auspuffsystem der Brennkraftmaschine mit einem Oxydationskatalysator, einem Reduktionskatalysator oder einem thermischen Reaktor oder einer Katalysatorkombination, welche eine Verminderung der Emissionsraten von HC, CO und NO, bewirkt und mit einer Luft-Brennstoff-Verhältnissteuerungseinrichtung ausgerüstet werden, welche zur Steuerung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des in die Brennkammer eingespeisten Luft-Brennstoff-Gemisches in Abhängigkeit von den Bedingungen der Abgase vorgesehen ist.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Fremdgezündete, mit innerer Verbrennung arbeitende Brennkraftmaschine mit einer den Auslaßkrümmer mit der Einlaßleitung verbindenden Rückführleitung, durch welche aus den einzelnen Brennkammern abgegebene Abgase einem auf der Einlaßseite mittels eines Kraftstoffs hergestellten, ein Mischungsverhältnis von 13:1 bis 16 :1 aufweisenden Kraftstoff-Luft-Gemisch zuführbar sind, das nach Komprimierung innerhalb eines Zylinders einer gleichzeitigen Doppelzündung ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine gute Durchbi ennung innerhalb der Brennkammer (36) der einzelnen Zylinder (CX-CA) unter Einsatz einer Rückführrate im Bereich zwischen 25 und 40% dadurch erreicht werden kann, daß die den einzelnen Zylindern (Ci- C 4) zugeordneten Paare von gleichzeitig zündenden Zündkerzen (32a, 32b) in etwa äquidistant und einander gegenüberliegend zur Längsache (Ac) der Zylinder (C 1 — CA) angeordnet sind, wobei der minimale Abstand (r) der einzelnen Zündkerzen (32a, 32b) von der Längsachse (Ac) des jeweiligen Zylinders (Ci-C4) im Bereich von 0,3 bis 1,0 des Radius (R) des betreffenden Zylinders (C 1-C4) liegt.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündanlage derselben derart ausgebildet ist, daß den einzelnen Zündkerzen (32a, 32b) während der Zündung jeweils eine erhöhte Energiemenge im Bereich zwischen 25 und 100 mj zuführbar ist.

3. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammern (36) eine Wannen- bzw. Halbkugelkonfiguration aufweisen (F i g. 3—5).

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die innerhalb des Zylinderkopfs (34) geführten Auslaßkanäle (22a, 22b) von jeweils zwei Auslaßöffnungen (18a— Hd) benachbarter Zylinder (Ci- C4) paarweise zusammengefaßt sind (F ig. 1 und 6).

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Brennkammern (36) mündenden Ein- und Auslaßöffnungen (16a—16c/, 18a— iSd) innerhalb des Zylinderkopfs (34) derart angeordnet sind, daß die durch die Mittelpunkte (Ci) und (C_e)dieser Ein- und Auslaßöffnungen (16a— i6d, ISa—iSd) führenden Linien gegenüber den senkrecht zu der Längsachse (A_c) verlaufenden Querachsen (A_x) unter einem schrägen Winkel angeordnet sind (F ig. 6).

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Zylinderkopfes (34) aus einer Aluminiumlegierung die Auslaßkanäle (22) der einzelnen Zylinder (C\ — C4) mit einer wärmeisolierenden Ausfütterung (23) versehen sind, so daß an dem Auslaßsystem (22) Abgasnachbehandlungseinrichtungen anschließbar sind.