DE2621533A1

DE2621533A1 - Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE2621533A1
Application number: DE19762621533
Authority: DE
Inventors: Yoshimasa Hayashi; Hiroshi Kuroda; Yasuo Nakajima; Tooru Yoshimura
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1975-05-15
Filing date: 1976-05-14
Publication date: 1976-12-09
Also published as: GB1536747A; AU1392376A; FR2311181A1; JPS521209A; CA1061205A; FR2311181B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor mit Fremdzündung mit mindestens einem Zylinder, in dem ein Verbrennungsraum von einem Zylinderkopf und vom Boden eines Kolbens an dessen oberem Totpunkt festgelegt wird.

Bekanntlich enthalten die Auspuffgase eines funkengezündeten Verbrennungsmotors als schädliche Bestandteile Stickoxide, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe. Der Emissionspegel der Stickoxide (NO ) wird gerade dann erhöht, wenn der Verbrennungsvorgang im Verbrennungsraum verbessert wird. Umgekehrt steigen die Emissionswerte der Kohlenwasserstoffe (HC) und von Kohlenmonoxid (CO) dann an, wenn sich der Verbrennungsvorgang verschlechtert.

Von diesen schädlichen Bestandteilen können die Emissionswerte von HC und CO leicht verringert werden, indem man die Verbrennung im Verbrennungsraum verbessert, oder indem man einen katalytischen Konverter oder einen thermalen Reaktor verwendet. Es ist allerdings beträchtlich schwieriger, den Emissionspiegel von NO zu senken, da er zunimmt, wenn die Verbrennungseigenschaften verbessert werden, und ist NO erst einmal im Verbrennungsraum erzeugt worden, dann

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kann dieser Stoff nicht ohne weiteres durch eine reduzierende Reaktion mit einem Reduktionskatalysator entfernt werden, wobei auch bezüglich des Katalysators Probleme bestehen, was seine Wirksamkeit und Dauerhaftigkeit anbelangt. Deshalb wird nun die größte Anstrengung darauf gerichtet, den Emissionswert von NO zu senken. Da das steuernde Beeinflussen der NO -Emission hinter dem Verbrennungsraum die obengenannten Schwierigkeiten aufwirft, scheint es besser zu sein, die NO -Emissionssteuerung innerhalb des Verbrennungsraums zu bewirken. Zu diesem Zweck wurde bereits vorgeschlagen, einen Teil der Verbrennungsgase in den Verbrennungsraum wieder zurückzuführen, um die Maximaltemperatur und den Druck der im Verbrennungsraum durchgeführten Verbrennung zu senken. Diese Maßnahme zum Steuern der NO -Emission wird durch ein sogenanntes Abgas-Rückführungssystem bewirkt (EGRSystem). Es ist herausgefunden worden, daß der NO -Pegel mit diesem EGR-System abnimmt, wenn die Menge der rückgeführten Abgase im Verhältnis zur eingeführten Luft (EGR-Verhältnis) erhöht wird. Wird allerdings das obengenannte Verhältnis zu groß, dann ist ein stabiler Betrieb des Motors aufgrund von Versagern beim Zünden der Aufladung im Verbrennungsraum unmöglich, und dementsprechend wird das Verhältnis auf etwa 1o % begrenzt, wobei stabilem Betrieb als auch der Steuerung der NO .-Emission in gebührlicher Weise Beachtung geschenkt ist.

Es ist daher der Hauptzweck der vorliegenden Erfindung, einen Verbrennungsmotor zu finden, der in der Lage ist, ein beträchtlich höheres EGR-Verhältnis zu verwenden, wobei der NO,-Emissionspegel

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wirksam verringert werden kann, ohne daß die abgegebene Leistung und die treibstoffbezogene Wirtschaftlichkeit verringert werden.

Erfindungsgemäß wird demnach vorgeschlagen , daß der eingangs genannte Verbrennungsmotor folgende Merkmale aufweisen soll:

- eine Einrichtung zur Zufuhr von Luft-Treibstoff-Gemisch zum Beschicken des Verbrennungsraums mit einem Luft-Treibstoff-Gemisch, das durch Mischen von Treibstoff und Ansaugluft hergestellt ist,

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eine Rückführeinrichtung für Auspuffgase zum Rückführen und Einleiten der Auspuffgase des Motors zusammen mit Ansaugluft in den Verbrennungsraum mit einem maximalen Anteil der Auspuffgase von 12 bis 4o Volumenprozent der Ansaugluftmenge, und - mehrere Zündkerzen, die innerhalb des Verbrennungsraums angeordnet sind, wobei jeweils auf 15 bis 4o cm des Verbrennungsraumvolumens eine Zündkerze vorgesehen ist.

Die Erfindung betrifft somit einen Verbrennungsmotor mit Vielfach-Funkenzündung, bei dem in jedem Verbrennungsraum des Motors mehrere Zündkerzen angeordnet sind. Es ist somit Zweck der Erfindung, einen vielfach~funkengezündeten Verbrennungsmotor vorzusehen, bei dem, obwohl das maximale EGR-Verhältnis bei einem beachtenswert hohen Wert gehalten wird, der sich im Bereich von Ί2 und 40 % bewegt, und obwohl die Charge bzw. das Beschickungsmaterial eine derart hohe Konzentration von Abgasen enthält, diese dennoch wirksam von mehreren Zündkerzen gezündet wird, die innerhalb eines jeden Verbrennungsraums des Motors angeordnet sind, wobei unter "Charge" bzw."Aufladung" allgemein auch die Füllung eines Verbrennungsmotors zu verstehen ist.
Es ist ferner Zweck der Erfindung, einen vielfach-funkengezündeten Verbrennungsmotor mit EGR-Ausrüstung vorzusehen, der in der Lage ist, die NO -Emissionswerte unter Verwendung eines maximalen EGR-

Verhältnisses von 12 bis 4o. % abzusenken, wobei die Zündkerzen mit einer Verteilung von einer Kerze pro 15 bis 4o cm Verbrennungsraumvolumens zum wirksamen Zünden der Aufladung angeordnet sind, die große Mengen von Abgasen enthält.

Andere Vorteile und Eigenschaften des verbesserten, erfindungsgemäßen funkengezündeten Verbrennungsmotors werden in der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen dargelegt, bei denen:

Fig. T die schematische Draufsicht eines erfindungsgemäßen, ■ funkengezündeten Verbrennungsmotors mit mehreren Zylindern ist,

Fig. 2 einen senkrechten Schnitt darstellt, der den Verbrennungsraum und die Anordnung der Zündkerzen gemäß Fig. 1 dar- _s stellt, und

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Fig. 3 einen senkrechten Schnitt ähnlich Fig. 2 darstellt, aber eine andere Zündkerzenanordnung zeigt.

In Fig. 1 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors dargestellt, an dem die Grundideen der vorliegenden Erfindung verwirklicht sind; der Motor im allgemeinen ist mit dem Bezugszeichen 1o bezeichnet. Der Motor 1o weist einen eigentlichen Motor 12 mit mehreren Zylindern auf, der in diesem Ausführungsbeispiel vier Zylinder CI bis C4 aufweist, wie in Fig. 1 dargestellt, wobei jeder Zylinder in herkömmlicher Weise in seinem Inneren einen Verbrennungsraum 14 aufweist. Der Verbrennungsraum 14 wird vom Zylinderkopf 16 und dem Boden eines Kolbers 18 begrenzt, der hin- und herbeweglich innerhalb des Zylinders angeordnet ist, wie deutlich in Fig. 2 und 3 gezeigt ist. Der Motor 1o ist mit einem Vergaser 2o oder einer Einrichtung zur Gemischzufuhr versehen, die über Ansaugrohre 22 oder eine Ansaugleitung mit den Verbrennungsräumen 14 in den Zylindern C1 bis C4 in Verbindung steht. Die Verbrennungsräume 14 stehen mit einem Reaktor 25 oder einem anderen Abschnitt der Auspuffanlage (kein Bezugszeichen) des Motors über Zwillings-Abgasöffnungen 24a und 24b in Verbindung, die im Zylinderkopf 16 des Motors 12 eingeformt sind. Der Reaktor 25 weist eine Einrichtung zum Oxidieren der unverbrannten Bestandteile wie Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe auf, die in den Auspuffgasen enthalten sind, die von den Verbrennungsräumen 14 abgegeben werden. Die vom Reaktor 25 gereinigten Abgase werden durch ein Auspuffrohr 26 an die Umgebungsluft abgegeben.

Zwischen Reaktor 25 und Ansaugleitung 22 ist eine Verbindungsleitung 28 oder Verbindungseinrichtung angeordnet, die einen Teil der Abgas-Rückführeinrichtung 3o oder einer Abgas-Rückfuhranlage bildet, wobei die Verbindungsleitung 28 die Rückführung eines Teils der von den Verbrennungsräumen 14 abgegebenen Abgase wieder in die" Verbrennungsräume 14 bewirkt, indem der Teil der Abgase in die eingeführte Luft oder Ansaugluft eingebracht wird, die durch die Ansaugleitung 22 strömt. Die Verbindungsleitung 28 kann die Ansaug-

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leitung 22 und den übrigen Teil der Abgasanlage des Motor verbinden. Ein Steuerventil 32 ist zum Steuern der zurückgeführten Abgasmenge angebracht, und zwar beispielsweise im Zusammenwirken mit dem Saugrohr-ünterdruck, der bei einem venturiartigen Abschnitt des Vergasers 2o erzeugt wird, wobei dieser Unterdruck eine Funktion des Ansaugluft-Durchsatzes ist. Bei diesem Beispiel ist das Steuerventil 32 zum Steuern des Maximalverhältnisses des Abgasdurchsatzes gebaut und eingestellt, der in die Verbrennungsräume in Relation zum Ansaugluft-Durchsatz zurückgeführt wird, wobei das maximale Abgas-Rückführungsverhältnis im Bereich von 12 bis 4o und vorzugsweise im Bereich von 12 bis 25 Volumenprozent liegt.

In jedem Verbrennungsraum 14 sind zwei Zündkerzen 34a und 34b durch den Zylinderkopf 16 hindurch angeordnet, und sie erstrecken sich in den Verbrennungsraum 14 hinein, wobei sie dem Umfangsbereich des Verbrennungsraums 14 näherliegen als dessen Mittelachse Ac, und bezüglich der Mittelachse Ac einander gegenüberliegen und im Abstand hiervon angeordnet sind, wie deutlich aus Fig. 2 ersichtlich ist.

Die Anzahl der Zündkerzen, die in einem Verbrennungsraum 14 angeordnet sind, steigt grundsätzlich an, wenn das Rückführungsverhältnis des Abgases gesteigert wird, und dementsprechend kann deren Anzahl mehr als zwei betragen. Versuche zeigen, daß eine stabile Verbrennung erzielt wird, indem eine Zündkerze für jeweils ein Verbrennungsraumvolumen im Bereich von 15 bis 4o cm vorgesehen wird, wobei dieses vom Zylinderkopf 16 und dem Boden des Kolbens 18 festgelegt wird, wenn sich dieser in seinem oberen Totpunkt befindet. Solange das Abgas-Rückführungsverhältnis im Bereich von 12 bis 4o% liegt, und wenn eine Zündkerze für ein Verbrennungsraumvolumen vorgesehen wird, das größer ist als 4o cm , wird eine stabile Verbrennung im Verbrennungsraum 14 nicht mehr erzielt. Es ist ferner schwierig, eine Zündkerze auf ein Volumen von weniger als 15 cm des Verbrennungsraums aus Gesichtspunkten des Aufbaus und des Raumbedarfs vorzusehen, der für Zündkerzen erforderlich ist, und überdies wird die Verbrennung in keiner Weise durch eine derartige Maß nähme verbessert.

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Es muß festgehalten werden, daß der obengenannte Bereich des Verbrennungsraumvolumens für eine Zündkerze nur dann gültig ist, wenn zv/ei oder mehrere Zündkerzen in einem Verbrennungsraum 14 angeordnet sind, und dementsprechend nicht gültig, wenn nur eine Zündkerze in einem Verbrennungsraum 14 angeordnet ist.

Im Hinblick auf die obige Erläuterung müssen mindestens drei Zündkerzen 34a, 34b und 34c in einem einzigen Verbrennungsraum 14 angeordnet werden, wenn dessen Volumen im Bereich von 8o bis 12o cm liegt (in Fig. 3 dargestellt).

Erfindungsgemäß ist die Stelle der Anordnung und die Ausrichtung der Vielzahl der Zündkerzen festgelegt, um verständlicherweise die wirksamste Verbrennung der Aufladung im Verbrennungsraum zu erzielen. Um diesen Zweck zu erreichen, ist die Mehrzahl der Zündkerzen bzw. sind die Zündkerzen vorzugsweise jeweils in dem Mittelabschnitt gedachter Sektorenabschnitte angeordnet, die durch Aufteilen des zur Verbrennung zur Verfügung stehenden Raums im Verbrennungsraum 14 in eine Anzahl gleicher Teile gebildet werden, die der Anz"ahl der Zündkerzen entspricht·, die im Verbrennungsraum 14 angeordnet sind. Die Zündkerzen sollten näher am Unfangsbereich des Verbrennungsraums und verhältnismäßig weit voneinander entfernt angeordnet werden. Zusätzlich ist eine Mehrzahl der Zündkerzen bzw. sind die Zündkerzen vorzugsweise derart ausgerichtet, daß die Verbrennung, die im Verbrennungsraum 14 durchgeführt wird, im peripheren Abschnitt des Verbrennungsraums 14, im sogenannten Abkühloder Abschreckbereich, beginnt und zum mittleren Abschnitt des Verbrennungsraums 14 hin fortschreitet.

Mit der oben beschriebenen Zündkerzenanordnung wird, wenn das komprimierte Luft-Treibstoff-Gemisch im Verbrennungsraum 14 von der Vielzahl der Zündkerzen gezündet wird, dieses Gemisch im Verbrennungsraum so verbrannt, daß eine Vielzahl von Flammfronten neben der inneren Wandfläche bzw. dem Abkühlbereich des Verbrennungsraums erzeugt wird. Diese Flammfronten bewegen sich zur Mitte des Verbrennungsraums und heizen diesen auf eine höhere Temperatur auf.

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Es wird deshalb die Strecke der Flammenausbreitung ira Vergleich zu einem herkömmlichen Motor, der nur eine Zündkerze verwendet, verkürzt. Somit wird erfindungsgemäß die Verbrennung beschleunigt und endet im mittleren Abschnitt des Verbrennungsraums, wobei eine gleichmäßige, stabile und glatte Verbrennung erwirkt wird. Dies führt seinerseits wieder zu einem stabilen Lauf des Motors, selbst wenn beträchtliche Mengen von Auspuffgasen im Verbrennungsraum vorliegen. Es muß festgehalten werden, daß die verkürzte Verbrennungszeit ebenfalls dazu neigt, den Emissionspegel von Stickoxiden (NO ) in den Abgasen abzusenken, da dieser die Tendenz hat, mit verkürzter Verbrennungszeit abzunehmen. Zusätzlich wird der Emissionspegel von Kohlenwasserstoffen (HC) ebenfalls wirksam verringert, da die Verbrennung in der Brennkammer vom Auslöschbereich aus initiiert wird, der auf eine Temperatur herabgekühlt wird, bei der die Flamme ausgeht.

Die Vielzahl von Zündkerzen ist derart angeordnet, daß sie gleichzeitig die Aufladung im Verbrennungsraum 14 zünden; der Zündzeitpunkt bzw. die Zünddauer der Zündkerzen kann aber auch ein wenig voneinander verschieden sein, insbesondere, wenn die Zündkerzen nicht zur Mitte des Verbrennungsraums 14 symmetrisch angeordnet sind und/oder wenn diese Forderung auf einen kompliziert geformten Verbrennungsraum zurückzuführen ist.

Aus dem Obenstehenden ergibt sich, daß eine sichere Zündung der Aufladung im Verbrennungsraum nicht möglich ist, wenn bei einem herkömmlichen Motor, bei dem in einem Verbrennungsraum nur eine Zündkerze angeordnet ist, das Abgas-Rückführungsverhältnis hoch ist, und selbst wenn eine Zündung stattfindet, wird die Flamme der abbrennenden Aufladung ausgehen oder die Geschwindigkeit der Flammfrontbewegung wird verringert werden, und deshalb kann eine wirksame Verbrennung innerhalb des Verbrennungsraums unter einer solchen Bedingung nicht erwartet werden, was zur Verringerung der ■ Ausgangsleistung des Motors führt. Im Gegensatz hierzu wird bei einem erfindungsgemäßen Motor, bei dem der Verbrennungsraum mit ₍ einer für das Verbrennungsraumvolumen geeigneten Anzahl von Zünd-

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kerzen ausgestattet ist, die Verbrennung der Aufladung selbst dann zu Ende geführt, -wenn es den Anschein hat, die Flamme im Verbrennungsraum gehe aus, da die Entfernung über die sich die Iflammfront einer jeden Zündkerze ausbrsitet, im Vergleich zu einem herkömmlichen Motor beträchtlich verkürzt ist, und deshalb wird die Verbrennungszeit der gesamten Aufladung im Verbrennungsraum nennenswert verkürzt, wodurch eine stabile Verbrennung der Aufladung im Verbrennungsraum ermöglicht wird.

Es ergibt sich ganz klar aus dem Vorstehenden, daß gemäß der vorliegenden Erfindung eine stabile Verbrennung der Aufladung erwirkt wird, obwohl die Verbrennungsbedingung im Verbrennungsraum aufgrund eines so hohen Abgas-Rückführungsverhältnisses von 12 bis 4-0 % verschlechtert ist, und dementsprechend kann der Motor wirksam den Emissionsspiegel von Stickoxiden verringern, ohne nennenswerte Verschlechterungen im Betriebsverhalten und Kraftstoffverbrauch hinnehmen zu müssen.

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Claims

Patentansprüche

1 . Verbrennungsmotor rait Fremdzündung mit mindestens einem Zylinder, in dem ein Verbrennungsraum von einem Zylinderkopf und vom Boden eines Kolbens an dessen oberem Totpunkt festgelegt wird, gekennzeichnet durch

- eine Einrichtung (20) zur Zufuhr von Luft-Treibstoff-Gemisch zum Beschicken des Verbrennungsraums (14) mit einem Luft-Treibstoff-Gemisch, das durch Mischen von Treibstoff und Ansaugluft hergestellt ist,

- eine Rückführeinrichtung (30) für Auspuffgase zum Rückführen und Einleiten der Auspuffgase des Motors (10) zusammen mit Ansaugluft in den Verbrennungsraum mit einem maximalen Anteil der Auspuffgase von 12 bis 4o Volumenprozent der Ansaugluftmenge, und

mehrere Zündkerzen (34a, 34b, 34c), die innerhalb des Verbrennungsraums angeordnet sind, wobei jeweils auf 15 bis 4o cm³ des Verbrennungsraumvolumens eine Zündkerze vorgesehen ist.
2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführeinrichtung für Abgas (30) eine Verbindungseinrichtung (28) aufweist, die zwischen einem Teil der Abgasanlage (24a, 24b) des Motors (10) und der Ansaugleitung (22) zum Rückführen der Abgase durch die Ansaugleitung in den Verbrennungsraum (14) angeschlossen ist, und daß ferner ein Steuerventil (32) in die Verbindungseinrichtung zum Aussteuern des Abgasdurchsatzes durch die Verbindungseinrichtung auf einen Bereich von 12 bis 40 Volumenprozent des Ansaugluft-Durchsatzes vorgesehen ist.
3. Verbrennungsmotor, nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (25) zum Oxidieren der unverbrannten Bestandteile, die in den von dem Verbrennungsraum (14) abgegebenen Abgasen enthalten sind, hinter dem Verbrennungsraum

angeschlossen ist.

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4. . Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Zufuhr von Luft-Treibstoff -Gemisch einen Vergaser (20) aufweist, der über eine Ansaugleitung (22) mit dem Verbrennungsraum (14) in Verbindung steht.
5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (32) zum Steuern des maximalen Abgasdurchsatzes im genannten Bereich in Abhängigkeit vom Saugrohr-Unterdruck eingerichtet ist, der an einem venturidüsenartigen Abschnitt des Vergasers (20) erzeugt wird.
6. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkerzen (34a, 34b, 34c) verhältnismäßig weit voneinander angeordnet sind.
7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkerzen (34a, 34b, 34c) jeweils in den Mittelabschnitten gedachter Sektorenabschnitte angeordnet sind, die man durch gleichmäßiges Aufteilen des für die Verbrennung vorgesehenen Raums, der vom Verbrennungsraum (14) bestimmt wird, in eine Anzahl von Abschnitten erhält, die der Anzahl der Zündkerzen (34a, 34b_f 34c) entspricht, die innerhalb des Verbrennungsraums (14) angeordnet sind.
8. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Zündkerzen (34a, 34b, 34c) von zwei Zündkerzen gebildet wird, die mit Abstand zueinander beiderseits der Mittelachse des Verbrennungsraums (14) angeordnet sind.
9. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkerzen (34a, 34b, 34c) näher am Umfang des Verbrennungsraums (14) angeordnet sind als an dessen Mittelachse.

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10. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Zündkerzen (34a, 34b, 34c) zum gleichzeitigen Zünden des Luft-Treibstoff-Gemischs eingerichtet ist, das in den Verbrennungsraum (14) eingebracht wird.
11. Verbrennungsmotor nach einem der Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Zündkerzen (34a, 34b, 34c) dazu eingerichtet ist, das Luft-Treibstoff-Gemisch, das dem Verbrennungsraum (14) zugebracht wird, jeweils zu unterschiedlicher Zeitpunkteinstellung zu zünden.

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