DE2606014A1

DE2606014A1 - Gemischverdichtende, fremdgezuendete viertakt-brennkraftmaschine mit ladungsschichtung

Info

Publication number: DE2606014A1
Application number: DE19762606014
Authority: DE
Inventors: Dusan Dipl Ing Dr Gruden
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 1976-02-14
Filing date: 1976-02-14
Publication date: 1977-08-25
Also published as: JPS5298810A; IT1081703B; SE7701496L; FR2362274A1

Description

Dr. Ing. h. c. F. PORSCHE AKTIENGESELLSCHAFT 7 STUTTGART 40 (ZUFFENHAUSEN) ·

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Gemisch verdichtende, fremd gezündete Viertakt-Brennkraftmaschine mit Ladungsschichtung

Die Erfindung betrifft eine gemischverdichtende, fremdgezündete Viertakt-Brennkraftmaschine mit Ladungsschichtung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, bei der der größte Teil der Ladung durch wenigstens ein Einlaßventil als brennstoffarmes Brennstoff-Luft-Gemisch einem Hauptbrennraum und der restliche Teil der Ladung als Brennstoff über wenigstens einen zusätzlichen Brennstoff-Einlaß einem eine Zündkerze aufweisenden Nebenbrennraum zugeführt wird, der über wenigstens eine gegebenenfalls gegenüber seiner Größe verringerten öffnung mit dem Hauptbrennraum verbunden ist.

Bei einer gemischverdichteten, fremdgezündeten Viertakt-Brennkraftmaschine der genannten Art mit Ladungsschichtung ist es bekannt (Fachzeitschrift "Automobil Industrie" 3/1974, Seiten 29 bis 33), den Brennstoff dem Nebenbrennraum in einem Bereich von 150° Kurbelwellenumdrehung vor dem unteren Totpunkt während des Saughubes bis 10° Kurbelwellenumdrehung vor dem unteren Totpunkt während des Saughubes zuzuführen. Dabei sind der Hauptbrennraum, der Nebenbrennraum und die diese Brennräume verbindende Öffnung in der Weise zueinander angeordnet und sind derart dimensioniert, daß beim Arbeiten der Brennkraftmaschine während jeden Ansaughubes und folgenden Verdichtungshubes ein mäßig fettes Brennstoff-Luft-Gemisch im Hauptbrennraum nahe der öffnung zum Nebenbrennraum gebildet

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Vorsitzender des Aufsichlsrats Dr Ing h c Ferdinand Porsche Vorstand. Dr Ernst Fuhrmann. Heinz Branitzki. Lars Schmidt S.li cer Gesellschaft: Stuttgart Regutagencht Amtsgericht Stuttgart. HRB-Nr 5211 TeIeIo_n O71I/82O3-1 Telex 07-21871 Porscheauto Stuttgart Postfach 400640

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wird. Dadurch wird bewirkt, daß das Gemisch im Hauptbrennraum nach dem Zünden auf allmähliche Weise verbrennt, und zwar im wesentlichen über den ganzen Arbeitshub der Brennkraftmaschine und mit einer relativ niedrigen Spitzentemperatur der Verbrennung. Wenn auch bei dieser Brennkraftmaschine gegenüber anderen bekannten Brennkraftmaschinen durch das Senken der Spitzentemperatur die NOX-Emission (Stickoxyde) verbessert wird, eine Senkung der HC-Emission (unverbrannte oder teilweise oxydierte Kohlenwasserstoffe) durch ein möglichst langes Hochhalten der Verbrennungstemperatur angestrebt wird und die CO-Emission (durch Verbrennung bei Luftmangel entstandenes Kohlenmonoxyd) durch den bei Schichtlademotoren üblichen Sauerstoffüberschuß im brennstoffarmen Brennstoff-Luft-Gemisch verringert wird, so sind optimale Arbeitsbedingunaen mit einer solchen Brennkraftmaschine jedoch hinsichtlich der Abgas-Entgiftung unter Berücksichtigung des Fahrverhaltens nicht erzielbar. Dies ist, wie umfangreiche Versuche ergeben haben, primär auf die ungenügende Gemischbildung in dem Nebenbrennraum zurückzuführen, durch die die HC-Emission, die CO-Emission sowie die Rußmenge in den Abgasen negativ beeinflußt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es_s eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Abgas-Emission auf ein umweltfreundliches und den zu erwartenden gesetzlichen Bestimmungen genügendes Maß reduziert werden und gleichzeitig optimale Bedingungen beim Fahrverhalten der Brennkraftmaschine sichergestellt werden.

ErfindungsnemäR wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Brennstoff dem Nebenbrennraum in einem Bereich von 100 Kurbelwellenumdrehung vor dem unteren Totpunkt während des Saughubes bis 90° Kurbelwellenumdrehung vor dem oberen Totpunkt während des Kompressionshubes zugeführt wird.

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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Nebenbrennraum am Gaswechsel während des größten Teils des Saughubes nicht beteiligt ist. Das Ausbleiben des Gaswechsels bewirkt, daß der gesamte Brennstoff, der während des Saug- und Kompressionshubes dem Nebenbrennraum zugeführt wird, in diesem verbleibt. Dort wird der Brennstoff mit den heißen Restgasen des vorhergegangenen Arbeitsprozesses vermischt und unterliegt thermischen Verdampfungs- und Zersetzungsprozessen. Auf diese Weise entstehen im Nebenbrennraum unter anderem unterschiedliche reaktionsfreudige Bestandteile - Radikale und Peroxyde - so daß zum Zeitpunkt der Zündung im Nebenbrennraum ein zündfähiges Gemisch vorhanden ist. Darüber hinaus wird während des Kompressionshubes in dem Nebenbrennraum im Bereich der üffnung eine Gemischzone mit mäßig fettem Gemisch von annähernd 7\. = 1,0 geschaffen, durch die die NOX-Emission vorteilhaft beeinflußt wird.

In der Zeichnung ist die Erfindung in einer beispielsweisen Ausführungsform dargestellt. Die Figuren 1 bis 6 zeigen die die Erfindung betreffenden Teile der Brennkraftmaschine und eine schematische Darstellung des Arbeitsablaufes während des Ansaug-, Verdichtungs- und Arbeitshubes der Brennkraftmaschine mit den entsprechenden Gemischwolken.

In den Figuren 1 bis 6 ist mit 1 ein Kolben bezeichnet, der in einem Kurbelgehäuse 2 geführt ist. Das Kurbelgehäuse 2 ist mittels Gewindebolzen 3 mit einem Zylinderkopf 4 verbunden, der einen Hauptbrennraum 5 aufweist. Diesem wird durch ein Einlaßventil 6 brennstoffarmes Brennstoff-Luft-Gemisch und durch eine Einspritzdüse 7, an deren Stelle auch ein Nebeneinlaßventil Verwendung finden könnte, einem Neben- ->j brennraum 8 Brennstoff zugeführt. Ein Auslaßventil ist nicht _ω dargestellt. Der Nebenbrennraum 8 wird durch eine in den Zylinderkopf 4 eingesetzte, dünnwandige Hülse 9 und einen *■* mit dem Zylinderkopf 4 verschraubten Deckelteil 10 gebildet. ο Das durch Schraubenbolzen 11 mit dem Zylinderkopf 4 verbundene J^ Deckelteil 10 dient zur Festsetzung der Hülse 9 im Zylinderkopf 4 sowie zur Aufnahme der Einspritzdüse 7 und einer Zündkerze 12 auf der dem Hauptbrennraum 5 abgewandten Seite. Der Nebenbrennraum 8 ist mit dem Hauptbrennraum 5 durch eine

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einen Schußkanal 13 bildende öffnung verbunden, die einen gegenüber dem Durchmesser des Nebenbrennraumes 8 geringeren Durchmesser aufweist. Der Brennstoff wird dem Nebenbrennraum in einem Bereich von 100° Kurbelwellenumdrehung vor dem unteren Totpunkt während des Saughubes bis 90° Kurbelwellenumdrehung vor dem oberen Totpunkt während des Kompressionshubes zugeführt.

Die Erläuterung der Figuren 1 bis 6 im einzelnen: Ausgehend von der in Fig. 1 dargestellten oberen Totpunkt-Stellung des Kolbens 1 nach dem Auspuffhub wird während eines Teiles des Ansaughubes dem Nebenbrennraum 8 Brennstoff zugeführt, so daß im Bereich des untren Totpunktes des Kolbens 1 im Saughub ausschließlich in den Nebenbrennraum 8 brennstoffreiches Gemisch und in dem Hauptbrennraum 5 brennstoffarmes Gemisch vorhanden ist (Fig. 2). Die Fig. 3 zeigt den Kolben 1 annähernd 90° Kurbelwellenumdrehung vor dem oberen Totpunkt während des Kompressionshubes. Hierbei ist das Gemisch im Hauptbrennraum 5 und in der Fackeldüse 13 brennstoffarm, in dem Nebenbrennraum 8 im Bereich hinter dem Schußkanal 13 mäßig fett und in dem übrigen Bereich des Nebenbrennraumes 8 - somit auch im Bereich der Zündkerze 12 - brennstoffreich. Kurz nach der Zündung - ca. 20° Kurbelwellenumdrehung nach dem oberen Totpunkt des Arbeitshubes (Fig. 4) - ist das Gemisch im Nebenbrennraum 8 brennstoffreich, im Hauptbrennraum 5 brennstoffarm und erstreckt sich von dem Schußkanal 13 eine Flammfackel in den Hauptbrennraum 5, die sich von dem Schußkanal 13 ausgehend kontinuierlich von brennstoffreichem Gemisch in brennstoffarmes Gemisch verändert. Wie in der Fig. 5 dargestellt, verbrennt durch die durch den Schußkanal 13 in den Hauptbrennraum 5 eintretende Flammfackel das brennstoffarme Gemisch in dem Hauptbrennraum 5 kontinuierlich weiter, während sich der Kolben 1 während des Arbeitshubes weiter auf den unteren Totpunkt zu.bewegt. Die Verbrennung des brennstoffarmen Brennstoff-Luft-Gemisches im Hauptbrennraum setzt sich während des ganzen Arbeitshubes fort. In der Fig. 6,in der sich der Kolben in der unteren Totpunktstellung vor dem Auspuffhub befindet, ist das brennstoffreiche Gemisch des Nebenbrennraumes 8 und das brennstoffarme Gemisch im Hauptbrennraum 5 vollständig verbrannt.

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Eine Analyse der Druckverläufe in dem Nebenbrennraum und im Hauptbrennraum zeigt, daß der Nebenbrennraum am Gaswechsel während des größten Teiles des Saughubes nicht beteiligt ist. Das Ausbleiben des Raswechsels bewirkt, daß die Gesamtmenge des während des Saug- und Kompressionshubes eingespritzten Brennstoffes in dem Nebenbrennraum verbleibt. Dort wird der Brennstoff mit den heißen Restgasen vermischt und unterliegt thermischen Verdampfungs- und Zersetzungsprozessen. Auf diese Weise entstehen in dem Nebenbrennraum unter anderem unterschiedliche reaktionsfreudige Bestandteile - Radikale und Peroxyde - so daß zum Zeitpunkt der Zündung im Nebenbrennraum ein zündfähiges Gemisch vorhanden ist.

Während des Kompressionshubes wird ein Teil des kraftstoffarmen Gemisches aus dem Hauptbrennraum in den Nebenbrennraum übergeschoben. Das Nebenbrennraumaemisch wird zum Teil in der Richtung der Zündkerze und der Einspritzdüse gedrängt und zum Teil mit dem eindringenden brennstoffarmen Gemisch vermischt. Dadurch entsteht in dem Nebenbrennraum eine Zone mit einem sehr fetten Gemisch in der Nähe der Zündkerze und der Einspritzdüse, ein Übergangsgemisch in dem Nebenbrennraum im Bereich des Schußkanals und ein mageres Gemisch in dem Schußkanal und dem Hauptbrennraum.

Die Gesamtluftzahl X ges des Schichtlademotors ist durch die mittlere Luftzahl in dem Nebenbrennraum "K K und die Luftzahl im Hauptbrennraum lV, S bestimmt. Es wird aus dem gesamten Brennstoff- und Luftverbrauch bestimmt:

aes =

Lmin , B
wobei L = tatsächlich verbrauchte Luftmenge

^Lmin ^{= sto}*^cnionietr'^iscne Luftmenge

B = Brennstoffmenge /Kg/s

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Mit B = Β_κ + B₅

wobei B^ = Nebenbrennraumbrennstoffmenge und Βς = durch das Saugrohr eingeführte Brennstoffmenge

lassen sich die Luftzahlen in dem Hauptbrennraum K S und in dem Nebenbrennraum A K vereinfacht berechnen:

- ]Ues ^B

es

^BS ^Lmin · ^BS

Ak = ^pk ^L

^Lmin(^PK · ^BS ^{+ B}k)

wobei P., der prozentuelle Anteil des Nebenbrennraumes am gesamten Verdichtungsraum ist.

Eine sichere Entzündung des Gemisches in dem Nebenbrennraum ist in einem Luftzahl gebiet zwischen A = 0,4 bis 1,2 möglich-Mit einer Änderung der in den Nebenbrennraum eingespritzten Brennstoffmenge kann dort stets eine solche Gemischzusammensetzung erhalten werden, so daß auch bei einer sehr hohen Abmagerung des Gemisches im Hauptbrennraum die erforderlichen Bedingungen für die Entzündung gesichert sind. Im unteren Lastgebiet der Brennkraftmaschine ist eine Änderung der Gemischzusammensetzung in den GrenzenTV ges = 0,8 bis 2,2 möglich. Die maximale Leistung der Brennkraftmaschine wird im Luftmangelgebiet bei A ges ⁵^ 0,9 erreicht.

Für jeden Lastpunkt der Brennkraftmaschine gibt es eine Nebenbrennraum-Einspritzmenge, welche im Hinblick auf den Brennstoff-Verbrauch optimal ist. Das Verhältnis zwischen der optimalen, in den Nebenbrennraum eingespritzten Brennstoffmenge und dem Gesamt-Brennstoffverbrauch hängt von der Belastung der Brennkraftmaschine ab. Bei kleinen Lasten in der Nähe des Leerlaufes beträgt die optimale Nebenbrennraum-Einspritzmenge zwischen 20 bis 30 % der gesamten eingespritzten Brenn-

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stoffmenge. Mit zunehmender Belastung wird dieses Verhältnis kleiner. Die maximale Leistung der Brennkraftmaschine wird erzielt, wenn die in den Nebenbrennraum eingespritzte Brennstoffmenge etwa 0 bis 5 % der gesamten Brennstoffmenge beträgt. Der absolute Wert der optimalen Nebenbrennraum-Einspritzmenge bleibt jedoch in einem breiten Gebiet der Belastung unverändert.

Nach der erfolgten Zündung des Brennstoffes in dem Nebenbrennraum breitet sich die Flamme unter günstigen Bedingungen in dem Nebenbrennraum aus und die Flamme der kleinen Menge des angereicherten Gemisches wird in den Hauptbrennraum ausgestoßen» wo sie das brennstoffarme Gemisch entzündet.

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Claims

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Patentanspruch

Remis cn ve rdi chtende , fremdgezlindete Viertakt-Brennkraftmaschine mit Ladungsschichtung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, bei der der größte Teil der Ladung durch wenigstens ein Einlaßventil als brennstoffarmes Brennstoff-Luft-Gemisch einem Hauptbrennraum und der restliche Teil der Ladung als Brennstoff über wenigstens einen zusätzlichen Brennstoff-Einlaß einem eine Zündkerze aufweisenden Nebenbrennraum zugeführt wird, der über wenigstens eine gegebenenfalls gegenüber seiner Größe verringerten öffnung mit dem Hauptbrennraum verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Brennstoff dem Nebenbrennraum (8) in einem Bereich von
100° Kurbelwellenumdrehung vor dem unteren Totpunkt während des Saughubes bis 90° Kurbelwellenumdrehung vor dem oberen Totpunkt während des Kompressionshubes zugeführt wird.

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ORiGiNAL INSPECTED