DE2618962A1

DE2618962A1 - Verbrennungsanordnung fuer eine verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE2618962A1
Application number: DE19762618962
Authority: DE
Inventors: Isao Matsuno; Hisamitsu Yamazoe
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 1975-05-02
Filing date: 1976-04-29
Publication date: 1976-11-11
Also published as: JPS5624086B2; FR2309718A1; GB1535592A; US4258686A; FR2309718B1; DE2618962C2; JPS51136008A

Description

PATENTANWÄLTE

DR. CLAUS REINLÄNDER DIPL.-ING. KLAUS BERNHARDT

D-8 München 60 · Orthstraße 12 · Telefon (089) 832024/5 Telex 5212744 · Telegramme Interpatent

269/17

FUJI HEAVY INDUSTRIES LIMITED

7-2 Nishishinjuku 1-chome Shinjuku-ku, Tokio, Japan

Verbrennungsanordnung für eine Verbrennungskraftmas chine

Priorität: 2. Mai 1975 Japan 50-534-85

Kurzfassung

Es wird eine Verbrennungsanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine beschrieben, die ein Abgasrezirkulationssystem aufweist, bei dem ein mageres Luft-Brennstoff-Gemisch ohne Erschwerung der Verbrennung verwendet werden kann. Die Verbrennungskammer ist in zwei einzelne Kammern aufgeteilt und die Verbrennung wird aufeinanderfolgend in den einzelnen Kammern durchgeführt. Eine Zündung des Luft-Brennstoff-Gemischs in der zweiten Kammer findet durch eine Flamme aus der ersten Kammer als Fackelzündung statt.

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungsanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine und insbesondere eine zweistufige Verbrennungsanordnung für Kraftmaschinen mit hin- und hergehenden Kolben.

Es ist eine zweistufige Verbrennungskraftmaschine bekannt,

bei der die Verbrennungskammer in eine erste Verbrennungskammer und eine zweite Verbrennungskammer durch einen Unter-

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kolben aufgeteilt ist, der an dem oberen Ende des Kolbens an einer Stelle nahe dem oberen Totpunkt des Hubes vorragt, und bei der das Gemisch in -der ersten Verbrennungskammer zuerst gezündet wird und nachfolgend das Gemisch in der zweiten Verbrennungskammer durch eine Flamme aus der ersten Verbrennungskammer gezündet wird. Bei dieser Anordnung können die Verbrennungsbedingungen, wie das Verhältnis der Verbrennungsmengen zwischen der ersten und der zweiten Verbrennungskammer und die Zeitdauer der jeweiligen Verbrennungen gesteuert werden, um den maximalen Druck und die Temperatur bei der ersten Verbrennung herabzusetzen und den Stickstoffoxydgehalt zu reduzieren. Venn diese Anordnung so ausgebildet ist, daß der Stickstoffoxydgehalt wesentlich herabgesetzt wird, wird auch die Verbrennungsgeschwindigkeit herabgesetzt, was zu einem Anstieg des Brennstoffverbrauchs und des Gehalts an Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid führt.

Andererseits wird mit einem Abgasrezirkulationssystem die maximale Verbrennungstemperatur reduziert, wodurch der Gehalt an Stickstoffoxyden herabgesetzt wird. Bei dem Abgasrezirkulationssystem muß das Luft-Brennstoff-Verhältnis auf einen geringen Wert eingestellt werden, beispielsweise Luft/Brennstoff = 13 bis 15» um eine stabile Verbrennung aus zuführen. Demgemäß wird der Brennstoffverbrauch der Kraftmaschine wesentlich verringert im Vergleich zu einer Kraftmaschine ohne Abgasrezirkulationssystem. TJm die Verbrennung in der Nachbehandlungsvorrichtung, wie einem thermischen Reaktor, zur Verringerung des Gehalts an Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxyd in den Abgasen auszuführen, ist es zusätzlich notwendig, Sekundärluft in die Abgase wegen des geringen Luft-Brennstoff -Verhältnis ses einzuführen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend erwähnten Nachteile der bekannten Verbrennungsanordnungen zu vermeiden und eine Verbrennungsanordnung für Verbrennungskraftmaschinen zu schaffen, die eine stabile Verbrennung

eines mageren Luft-Brennstoff-Gemische durch Steuern der Verbrennungsgesehwindigkeit ausführen kann.

Die Verbrennungsanordnung für Verbrermungskraftmaschinen nach der Erfindung soll durch geringen Brennstoffverbrauch wirtschaftlich sein und den Gehalt an Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxyd in den Abgasen ohne Einführung von Sekundärluft verringern.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnung beschrieben, in der sind

Fig. 1 ein Schnitt einer Verbrennungsanlage für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen Brennstoffverbrauch be und Konzentration der giftigen Bestandteile in den Abgasen und des Luft-BrennstoffVerhältnisses bei einer bekannten Verbrennungsanlage und

Pig. 3 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Brennstoffverbrauch und der Konzentration der giftigen Bestandteile und des Luft-Brennstoff-Verhältnisses bei der Anordnung nach der Erfindung.

1 ist ein Zylinder, an dessen oberem Ende ein Zylinderkopf befestigt ist. In dem Zylinder 1 ist gleitbar ein Kolben vorgesehen. An dem oberen Ende des Kolbens 3 ist ein Unterkolben 3a vorgesehen. Der Zylinderkopf 2 hat eine erste Verbrennungskammer 4- und eine zweite Verbrennungskammer 5* in· cLie eier zylindrische Unterkolben 3a eingeführt werden kann, wenn der Kolben 3 die Stelle nahe dem oberen Totpunkt des Kolbenhubs erreicht. Durch Einführen . des Unterkolbens 3a in die zweite Verbrennungskammer 5

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wird die zweite Verbrennungskammer 5 von der erstem Ver~ brennungskaTTmier 4 getrennt. In der ersten Verb^ennungs-· kammer 4 sind eine Zündkerze 6 und ein Ansaügventil 7 vorgesehen, das mit einer Ansaugöffnung 7 in "Verbindung steht* In der zweiten Verbremrnngskämmer 5 ist ein Auslaßventil S vorgesehen, das mit einer Auslaßöffnung 10 in Verbindung steht« Ein Abgasrezirkulationsdurchlaß 11 ist zwischen der Auslaßöffnung 1Q und der Ansatigöffnung 9 vorgesehen, ttm einen Teil des Abgases in die Ansattgöffnung entsprechend der Steuerung eines RezirkulationssteTierventils Λ2. in dem Abgasrezirkti— lationsdurchlaß 11 zttrückztiführen. 15 ist ein Vergaser, Die Auslaßoffnung 10 ist durch geeignete Mittel wärmeisoliert und gegebenenfalls mit einer Fachbehandlungsvorrichtung, wie einem thermischen Reaktor, verbunden.

Das Kompressionsverhälthis in der ersten Yerbrennungskammer wird geringer eingestellt als das Kompressionsverhältnis in der zweiten Verbrennungskammer 5- Das Iiuft-Brennstoff-Gemisch, das von dem Vergaser 13 über die Ansaugöffnung 9 eingeführt wird_T ist eine magere Luft-Brennstoff-Mischung, deren Luft-Brennstoff-Verhältnis etwa Luft/Brennstoff = 16 bis 18 beträgt.

Beim Kompressionshub ist das Kompressionsverhältnis in der zweiten Verbrennungskammer 5 größer als das Kompressionsverhältnis in der ersten Verbrennungskammer 4 an einer Stelle nahe dem oberen Totpunkt, so daß ein feil des Luft-Brennstoff-Gemischs der zweiten Verbrennungskammer 5 in die erste Verbrennungskammer 4 über einen Spalt zwischen dem Unterkolben 3a und der inneren Wand der zweiten Kammer 5 eingespritzt ."wird. Demgemäß tritt eine Turbulenzwirkung auf das Luft-Brennstoff-Gemisch in der ersten Verbrennungskammer auf. Gleichzeitig wird die Zündkerze 6 erregt und das Luft-Brennstoff -Gemisch wird schnell verbrannt. Die schnelle Verbrennung und die Turbulenzströmung in der ersten Kammer führen zu einer stabilen Verbrennung des Brennstoffs, obwohl es sich um eine magere Brennstoffmischung handelt und diese mit rückgeführten Abgasen gemischt ist.

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Venn der Unterkolben 3a von der zweiten Verbrennungskammer getrennt wird, dehnt sich eine Flamme in der ersten Verbrennungskammer 4 in die zweite Verbrennungskammer 5 aus, so daß daß'Luft-Brennstoff-Gemisch in der zweiten Verbrennungskammer 5 als Fackelzündung gezündet wird. Die Verbrennung in der zweiten Verbrennungskammer findet wegen der

Fackelzündung sehr schnell statt. Auf diese Weise kann das magere Gemisch verbrannt werden, obwohl es rückgeführtes Abgas enthält. Die Verbrennungsgeschwindigkeit kann durch die Menge der rückgeführten Gase gesteuert werden, so daß keine abnorm hohe Verbrennungsgeschwindigkeit erzeugt wird. Entsprechend den Antriebsbedingungen hat sich ein Rezirkulationsverhältnis von beispielsweise 5 "bis 15 % als vorteilhaft herausgestellt.

Die oben beschriebene zweistufige Verbrennung kann mit niedriger Spitzentemperatur stattfinden, wodurch Stickstoffoxyde wesentlich verringert werden können. Des weiteren kann der Brennstoffverbrauch verringert werden, indem ein mageres Gemisch ohne Erschwerung der Verbrennung verwendet wird. Auch wegen des mageren Gemischs kann der Gehalt an Kohlenmonoxyd und Kohlenwasserstoff verringert werden. Da das Abgas der mageren Mischung üblicherweise 3 bis 5 % Sauerstoff enthält, kann des weiteren eine Oxydation von Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxyd in der Nachbehandlungsvorrichtung ohne Zufuhr von Sekundärluft mittels einer Luftpumpe stattfinden.

Fig. 2 zeigt den Brennstoffverbrauch und die Beziehung zwischen der Konzentration von Stickstoffoxyden, Kohlenmonoxyd und Kohlenwasserstoff und dem Luft-Brennstoff-Verhältnis bei einer bekannten Kraftmaschine.

Die Umlaufgeschwindigkeit der Kraftmaschine beträgt 2000 Umdrehungen pro Minute, der Wirkungsgrad der Schüttung beträgt 0,5 und das Rezirkulationsverhältnis ist etwa 13 %· Demgegenüber zeigt Fig. 3 die Beziehung zwischen dem Luft-Brennstoff -Verhältnis und den voranstehend angegebenen

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Faktoren der Kraftmaschine gemäß der Erfindung unter denselben Bedingungen wie bei der bekannten Kraftmaschine nach Fig. 2. Aus den graphischen Darstellungen ergibt sich, daß die zweistufige Verbrennungsanordnung nach der Erfindung eine Verringerung des Gehalts an Stickstoffoxyden ergibt, ohne daß der Gehalt an Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid ansteigt, indem ein mageres Luft-Brennstoff-Gemisch (Luft/ Brennstoff = 16 bis 18) verwendet wird, wobei ein Abfall der Ausgangsleistung der Kraftmaschine verhindert wird.

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Claims

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Patentansprüche

' 1. ) Verbrennungsanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Zylinder, einem Kolben, einem an dem oberen Ende des Kolbens vorragenden Unterkolben, einem Zylinderkopf, der an dem oberen Ende des Zylinders befestigt ist und eine Aussparung aufweist, in die der Unterkolben an einer Stelle nahe dem oberen Totpunkt des Kolbenhubs eingeführt werden kann, so daß der Raum zwischen dem Zylinderkopf und dem Kolben in eine erste Verbrennungskammer an dem oberen Ende des Kolbens und in eine zweite Verbrennungskammer an dem oberen Ende des Unterkolbens aufgeteilt" wird, einer Zündkerze, .die in einer der Verbrennungskammern vorgesehen ist, einem Ansaugdurchlaß, der sich in eine der Verbrennungskammern öffnet, einem Äuslaßdurchlaß, der sich in eine der Verbrennungskammern öffnet, einem Abgasrezirkulationsdurchlaß, der den Auslaßdurchlaß und den Ansaugdurchlaß verbindet, und einem Vergaser zum Zuführen eines mageren Luft-Brennstoff-Gemischs, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungskammern derart ausgebildet sind, daß das Gemisch in einer der Verbrennungskammern als Packelzündung durch eine Flamme gezündet werden kann, die von der anderen Verbrennungskammer eingeblasen wird.
2. Verbrennungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Verbrennungskammer so ausgebildet sind, daß sie ein voneinander unterschiedliches Kompressionsverhältnis aufweisen.
3. Verbrennungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkerze in der ersten Verbrennungskammer angeordnet ist.
4. Verbrennungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Verbrennungskammer derart ausgebildet ist, daß sie ein höheres Kompressionsverhältnis als das der ersten Verbrennungskammer aufweist, und daß die Zündkerze in der ersten Verbrennungskammer angeordnet ist.

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