DE2615643B2

DE2615643B2 - Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine zur Durchführung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE2615643B2
Application number: DE2615643A
Authority: DE
Inventors: Roy S. Birmingham Mich. Cataldo (V.St.A.)
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1975-05-02
Filing date: 1976-04-08
Publication date: 1978-07-27
Also published as: FR2309722A1; FR2309722B1; DE2615643A1; AU1279976A; JPS523908A; US4050420A; IT1058168B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades bei günstiger Abgaszusammensetzung.

Bei nach dem Otto-Prozeß arbeitenden fremdgezündeten Brennkraftmaschinen sind Verbesserungen durch Abwandlung des normalen Arbeitsverfahrens angestrebt worden. So ist zur Erzielung hoher Wirkungsgrade bekannt (DE-OS 19 09 227), ein hohes Verdichtungsverhältnis zu wählen, bei dem unter Abstimmung auf die Brennstoffqualität eine Selbstzündung im oberen Totpunkt gerade noch vermieden wird, wobei die Zündung kurz nach dem oberen Totpunkt in einem Zeitpunkt erfolgt, der eben noch einen klopffreien Lauf gewährleistet. Der Verlauf der mit großer Geschwindigkeit ablaufenden Verbrennung erfolgt zwar im wesentlichen bei gleichem Druck, ist jedoch in keiner Weise gesteuert, so daß die unter solchen Bedingungen gegebene äußerst ungünstige Abgaszusammensetzung in Kauf zu nehmen ist. Bei Verwendung üblicher Brennstoff-Luftverhältnisse wird ein Verdichtungsverhältnis von 14 :1 als erreichbar angesehen.

Eine Verbesserung des Wirkungsgrades durch Erhöhen des Verdichtungsverhältnisses irn Verdichtungshub und eine anschließende Gleichdruckverbrennung (DE-PS 9 43 202) bedingt ebenfalls eine ungünstige Abgaszusammensetzung.

Zur Vermeidung der Arbeitsverluste infolge unvollkommener Entspannung ist bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen mit üblichen Verdichtungsverhältnissen gegenüber normal betriebenen Brennkraftmaschinen vorgeschlagen worden, den Einlaß- und Auslaßvorgang abzuwandeln, indem ein Teil der angesaugten Luft durch das Auslaßventil entweicht, bevor die Verdichtung beginnt und der Brennstoff während des Verdichtungshubes zugeführt wird. In der »MTZ«, 1954, Seiten 3 bis 11, sind P-V- und T-S-Diagramme für eine Verbrennung angegeben, die nach einem anfänglichen Druckanstieg sodann bei konstantem Druck und Erhöhung der Temperatur auf einen bestimmten Wert abläuft. Der weitere Verbrennungsablauf weicht aber von dem des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren so weit ab, daß dort eine günstige Zusammensetzung der Abgase nicht erreicht wird.

Bekannt ist auch für selbstzündende Brennkraftmaschinen (DE-AS 10 20 829), Verdichtungen und Entspannung nach angenäherten Isothermen durchzuführen, wobei jedoch außerhalb der Brennkraftmaschine liegende Wärmetauscher und eine besondere Ausbildung der Kolben erforderlich sind. Auch bei dieser Betriebsführung ist kein Einfluß auf eine günstige Abgaszusammensetzung erkennbar, obgleich die Verbrennung zunächst unter im wesentlichen konstantem Druck und Erhöhung der Temperatur auf einen vorgegebenen Wert und anschließend die restliche, über den ganzen Entspannungshub stattfindende Verbrennung bei dieser im wesentlichen konstant gehaltenen Temperatur erfolgt.

Den Verbrennungsvorgang durch eine besondere Gestaltung des Brennraums zu beeinflussen, ist beispielsweise durch die DE-OS17 51 370 bekannt. Dort handelt es sich aber darum, die gleichmäßige, klopffreie Verbrennung zu gewährleisten, wozu der Kolbenboden den Brennraum mit einer sich über den ganzen Querschnitt erstreckenden flachen Mulde begrenzt.

Bei einer anderen gleichem Zweck dienenden Bauform (DE-AS 10 99 789) enthält der Kolbenboden im Bereich der Zündkerze eine zentrale verhältnismäßig tiefe Aussparung, die an ihrem Umfang in der oberen Totpunktlage des Kolbens in einen schmalen, zwischen ebenen Flächen des Kolbens und des Zylinderkopfes liegenden sich allseitig bis zur Zylinderwand erstreckenden Teil übergeht. Diese Maßnahmen haben jedoch auf die Abgaszusammensetzung keinen gravierenden Einfluß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine zu schaffen, bei dem eine wünschenswerte Vereinigung eines hohen Wirkungsgrades mit günstiger Abgaszusammensetzung erzielt wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 herausgestellten Merkmale gelöst.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform als Hubkolben-Brennkraftmaschine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht der Brennraum aus einer teilkugelähnlichen einseitig im Kolbenboden vorgesehenen Aussparung und einer von dieser sich zur anderen Seite des Kolbens erstreckenden, in axialer Richtung schmaleren und sich verjüngenden Aussparung, und die Funkenstrecke der im Zylinderkopf sitzenden Zündkerze ist etwa in der Mitte der teilkugelähnlichen Aussparung angeordnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen senkrechten Teilschnitt durch eine Hubkolben-Brennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung,

F i g. 2 einen Querschnitt nach der Linie 2-2 in F i g. 1,

F i g. 3 ein Schaubild, in dem die Temperatur über der Entropie aufgetragen ist und das das erfindungsgemäße Verfahren veranschaulicht,

F i g. 4 ein Schaubild, in dem für verschiedene Verdichtungsverhältnisse der Druck über dem Hubvolumen aufgetragen ist und

F i g. 5 ein Schaubild, in dem die Geschwindigkeit der Wärmeabfuhr über dem Kurbelwinkel unter den Betriebsbedingungen gemäß Fig.3 und 4 aufgetragen ist.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Hubkolben-Brennkraftmaschine 10 hat einen üblichen Zylinderblock 12 mit mehreren Zylindern 14, die der Aufnahme von Kolben 16 dienen.

Die äußeren Enden der Zylinder 14 sind durch einen Zylinderkopf 20 verschlossen, der zusammen mit den Zylindern und den Kolben je einen Brennraum 22 veränderlichen Volumens begrenzt.

Der Zylinderkopf enthält ferner Ein- und Auslaßöffnungen 24 bzw. 26, die durch Ein- bzw. Auslaßventile 28 bzw. 30 gesteuert werden, die von einer nicht dargestellten Ventilsteuerung betätigt werden.

Über die Einlaßöffnung 24 kann ein mageres Brennstoff-Luftgemisch zugeleitet werden. Im Ausführungsbeispiel ist hierzu eine nicht näher dargestellte Brennstoffeinspritzanlage verwendet, die eine Einspritzdüse 32 im Einlaßkanal aufweist, und eine !licht näher dargestellte Luftansauganlage.

In dem Zylinderkopf ist ferner eine Zündkerze 34 für jeden Zylinder angeordnet, die in den Brennraum 22 durch eine öffnung 36 im Zylinderkopf ragt.

Der Brennraum 22 wird in seiner Gestalt im wesentlichen durch den Kolben 16 bestimmt. In dem Kolbenboden ist eine teilkugelförmige Aussparung 38 auf der einen Seite des Kolbens gebildet, die in einen schmalen verjüngten Teil 40 an der anderen Seite des Kolbens übergeht. Die Zündkerze 34 liegt mit ihrer Funkenstrecke 42 in der Mitte der teilkugelähnlichen Aussparung 38.

Die Schaubilder nach den F i g. 3 und 4 veranschaulichen das erfindungsgemäße Verfahren in seinen einzelnen Stufen. Zwischen den Punkten 1 und 2 erfolgt eine adiabatische Verdichtung und nach der Zündung eine Verbrennung bei konstantem Druck zwischen den Punkten 2 und 3. Die weitere Verbrennung zwischen den Punkten 3 und 4 erfolgt bei konstanter Temperatur worauf sich eine adiabatische Expansion vom Punkt 4 zum Punkt 5 ergibt und anschließend eine Wärmeabfuhr bei konstantem Volumen über den Auslaß der Verbrennungsgase zwischen den Punkten 5 und 1.

F i g. 5 zeigt die veränderliche Wärmeabgabe während der Verbrennung auf den Kurbelwellenwinkel bezogen, um die Bedingungen gemäß den F i g. 3 und 4 zu erhalten. Die notwendige Brenngeschwindigkeit ist hoch, während die Verbrennung bei konstantem Druck erfolgt, und nimmt dann schnell ab, wenn die Verbrennung bei konstanter Temperatur fortgesetzt wird. Diese Verringerung der Brenngeschwindigkeit ist notwendig, um die Verbrennungstemperatur auf einen vorgegebenen konstanten Wert zu begrenzen, der für die zweite Verbrennungsstufe gemäß F i g. 3 verlangt wird.

Die Gestalt des Brennranmes 22 ist so gewählt, daß diese gewünschte Kurve gemäß Fig. 5 bei dem gegebenen Verdichtungsverhältnis und Brennstoff-Luftverhältnis erzielt wird. Durch die teilkugelähnliche Aussparung und die in deren Mitte vorgesehene Funkenstrecke der Zündkerze erfolgt anfänglich ein schnelles Abbrennen des Gemischs in diesem Teil des Brennraumes. Das anschließende Verbrennen in dem restlichen verhältnismäßig schmalen Teil des Brennraumes, der durch die Abwärtsbewegung des Kolbens etwas vergrößert ist, ergibt die gewünschte kleinere

ίο Brenngeschwindigkeit, die zur Aufrechterhaltung einer konstanten Brenntemperatur der zweiten Stufe der Verbrennung notwendig ist.

Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß die besondere Ausgestaltung des Brennraumes nach dem Ausfüh-

I¹S rungsbeispiel nicht die alleinige Möglichkeit der Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt. Beispielsweise können durch entsprechende Ausgestaltungen auch Rotationskolbenmaschinen für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet ausgebildet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert bzw. erwünscht die nachstehenden Schritte gemäß den Fi g. 3 und 4:
1. Verdichtung des mageren Brennstoff-Luftgemisches mit einem hohen Verdichtungsverhältnis zwischen 17:1 und 30:1, wobei das Brennstoff-Luftverhältnis und der Oktanwert des Brennstoffes so aufeinander abgestimmt sind, daß Frühzündung oder Klopfen verhindert sind.

JO 2. Eine verzögerte Zündung, wobei der Zündzeitpunkt vorzugsweise nur wenige Grade vor dem oberen Totpunkt liegt. Die Zündverzögerung bewirkt dann, daß die Verbrennung vollständig während des Entspannungshubes erfolgt.

3. Verbrennung eines ersten Teils des Gemisches unter im wesentlichen konstantem Druck zu Beginn des Entspannungshubes.

4. Verbrennung des restlichen Teils des Gemisches unter konstanter Temperatur, wobei die Verbrennung in der ersten Hälfte des Entspannungshubes beendet wird.

5. Eine besondere Ausgestaltung des Brennraumes, um einen nicht linearen Verlauf der Brenngeschwindigkeit zu erhalten, so daß in einem ersten Teil die Verbrennung bei im wesentlichen konstantem Druck und in den anschließenden restlichen Teil bei im wesentlichen konstanter Temperatur erfolgt, wobei die Gesamtverbrennung im Anfangsteil des Entspannungshubes erfolgt.

6. Adiabatische Expansion der Verbrennungsgase so während des Restes des Entspannungshubes und

7. Wärmeabfuhr bei konstantem Volumen durch Ausstoß der Abgase aus dem Brennraum und Ansaugen eines frischen Gemisches in den Zylinder.

Es ist erwünscht, mit Brennstoffeinspritzung in das Saugrohr der Brennkraftmaschine zu arbeiten, um Schwierigkeiten bei der Verteilung aus einem Einlaßkasten zu vermeiden, die bei Verwendung eines mageren Brennstoff-Luftgemisches auftreten könnten. Ferner ist damit eine Verwendung eines unbeheizten Ansaugkastens möglich. Durch Kalth&lten der eintretenden Ladung wird die Möglichkeit von Selbstzündungen verringert und ferner die Verwendung von Brennstoffen niedrigerer Oktanzahl möglich.

Durch die Verwendung eines mageren Brennstoff-Luftgemisches treten keine Schwierigkeiten durch Selbstzündung oder Klopfen auf, wenn hohe Verdichtungsverhältnisse gefahren werden. Es kann mit Brennstoff hoher Oktanzahl gefahren werden, um

Klopfen zu verhindern, wenn mit weniger magerem Gemisch gefahren wird.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß das erfindungsgemäße Verfahren die Spitzentemperatur in stärkerem Ausmaße beschränkt als dies beim Otto-Verfahren möglich ist, während bei dem gleichen mageren Brennstoff-Luftgemisch infolge der gesteuerten Verbrennung während des Entspannungshubes vorteilhaftere Verhältnisse entstehen als beim Otto-Verfahren, bei dem eine Verbrennung bei konstantem Volumen erfolgt. Der Anteil an Stickoxiden in den Abgasen kann durch Wahl der maximalen Brenntemperatur gesteuert werden. Ferner bedeutet eine lange Brennzeit bei verhältnismäßig hohen Temperaturen eine Wirkung des Zylinders als Oxidationsreaktor während des mittleren Teils des Entspannungshubes, wodurch sowohl der Anteil an unverbrannten Kohlenwasserstoffen als auch an Kohlenmonoxid in den Abgasen verringert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet starke Druckanstiege, da die Verbrennung in gesteuerter Weise allein während des Entspannungshubes erfolgt. Da sich ferner das Volumen des Brennraumes während der Verbrennung stärker als normal vergrößert, erfolgt die restliche Verbrennung mit einem geringeren Verhältnis zwischen Volumen und Oberfläche der Brennkammer, wodurch der Anteil an Kohlenwasserstoffen in den Abgasen ebenfalls verringert wird.

Wenn im Ausführungsbeispiel das erfindungsgemäßc Verfahren auch im Zusammenhang mit einer Hubkol-

ίο benmaschine erläutert wurde, so ist ohne weiterei erkennbar, daß die Anwendung des erfindungsgemäßer Verfahrens nicht auf derartige Brennkraftmaschiner beschränkt ist. Da bekannte Rotationskolben-Brennkraftmaschinen von sich aus lange Brennwege aufweisen, ist es lediglich erforderlich, die Gestaltung dei Brennräume abzuändern, um den Betrieb mit derr erfindungsgemäßen Verfahren zu ermöglichen unc damit die hiermit erzielten Vorteile auch bei Rotationskolbenmaschinen zu erhalten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betrieb von fremdgezündeten Brennkraftmaschinen zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades bei günstiger Abgaszusammensetzung, dadurch gekennzeichnet, daß ein mageres, brennfähiges Brennstoff-Luftgemisch in einen Verbrennungsraum (22) veränderlichen Volumens eingebracht wird, danach das Gemisch mit einem Verhältnis zwischen 17:1 und 30 :1 verdichtet wird, wobei das Brennstoff-Luftverhältnis und der Oktanwert des Brennstoffs so aufeinander abgestimmt sind, daß Selbstzündung beim Verdichten verhindert ist, danach am Ende der Verdichtung das Gemisch gezündet und anschließend verbrannt und unter Leistungsabgabe entspannt wird, wobei durch die Gestalt des Brennraums die Verbrennung in ihrem ersten Teil mit großer Brenngeschwindigkeit und nach einem gewissen Druckanstieg unter im wesentlichen konstantem Druck und Erhöhung der Temperatur auf einen vorgegebenen Wert und in ihrem anschließenden restlichen, in der ersten Hälfte des Entspannungshubes beendeten Teil bei einer im wesentlichen konstant gehaltenen Temperatur erfolgt.

2. Hubkolben-Brennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum (22) aus einer teilkugelähnlichen einseitig im Kolbenboden vorgesehenen Aussparung (38) und einer von dieser sich zu anderen Seite des Kolbens erstreckenden in axialer Richtung schmaleren und sich verjüngenden Aussparung (40) besteht und die Funkenstrecke der im Zylinderkopf sitzenden Zündkerze (34) etwa in der Mitte der teilkugelähnlichen Aussparung angeordnet ist.