DE2634334A1 - Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine Verbesserung an Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge.

Während des Leerlaufbetriebes und eines Betriebes im unteren Teillastbereich einer Brennkraftmaschine, die bei einem Kraftfahrzeug Verwendung findet, ist die Drosselklappe nur um einen kleinen Winkel geöffnet, so daß nur eine kleine Luftmenge angesaugt wird. Infolgedessen ist die Geschwindigkeit, mit welcher eine Gemischfüllung während des Ansaughubes durch die Einlaßsammelleitung in den Zylinder eingeleitet wird, klein, so daß eine schwache Verwirbelung der Gemischfüllung innerhalb des Zylinders stattfindet. Außerdem v/ird die Verwirbelung der sich während der Zündzeit im Zylinder befindlichen Gemischfüllung verringert, wobei die Zündung im wesentlichen im letzten Abschnitt eines Kompressionshubes stattfindet,

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was zu einer schlechteren Zündfähigkeit und Brennfähigkeit der Gemischfüllung führt. Um einen stabilen Lauf einer Brennkraftmaschine während eines solchen Betriebszustandes sicherzustellen, muß eine Gemischfüllung erzeugt werden, deren Luft/Kraftstoffverhältnis kleiner als das Luft/Kraftstoffverhältnis für einen Betrieb der Brennkraftmaschine im mittleren Teillastbereich oder im Vollastbereich ist. Dies führt jedoch einerseits zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch und andererseits zu einer Vergrößerung der Menge der schädlichen Abgasbestandteile, wie z. B. von CO und HC, welche infolge einer unvollständigen Verbrennung einer fetten Gemischfüllung in den Abgasen enthalten sind.

Dm die Menge der schädlichen Abgasbestandteile, wie z. B. CO und HC und insbesondere NOx, die in den von einer Brennkraftmaschine ausgestoßenen Abgasen enthalten sind, zu verringern, wurde es bereits vorgeschlagen, eine Gemischfüllung zu verbrennen, deren Luft/Kraftstoffverhältnis wesentlich kleiner als das theoretische oder stöchiometrische Luft/Kraftstoffverhältnis ist. Zur Verringerung der NOx-Bestandteile wurde es bereits auch vorgeschlagen, einen Teil der Abgase aus dem Abgassystem zurückzuleiten und mit einer Gemischfüllung zu vermischen und zu verbrennen. Beide Vorschläge führen zu einer schlechteren Zündfähigkeit und zu einer verschlechterten Brennfähigkeit der Gemischfüllung, so daß der Betriebszustand im Leerlauf und im unteren Teillastbereich verschlechtert, und der Kraftstoffverbrauch erhöht werden.

Die Erfindung ist deshalb darauf gerichtet, eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, deren Kraftstoffverbrauch insbesondere während des Leerlaufbetriebes und des Betriebes im unteren Teillastbereich der Brennkraftmaschine verringert ist..

Die Erfindung ist ferner darauf gerichtet, eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, welche eine stabile Verbrennung eines mageren Gemisches zur Erzielung eines,stabilen Leerlaufs und Betriebes im unteren Teillastbereich ermöglicht, obwohl dies mit den bisher bekannten Brennkraftmaschinen nicht möglich ist, damit die

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Menge der in den Abgasen enthaltenen schädlichen Bestandteile verringert wird.

Die Erfindung ist ferner darauf gerichtet, eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, welche eine stabile Verbrennung einer Gemischfüllung ermöglicht, die eine große Menge zurückgeführter Abgase enthält, damit ein stabiler Leerlauf und ein stabiler Betrieb im unteren Teillastbereich ermöglicht wird, was mit den bisher bekannten Brennkraftmaschinen nicht durchführbar ist, so daß die Menge der ΝΟχ-Bestandteile in den Abgasen verringert wird.

Die Erfindung ist ferner darauf gerichtet, eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, welche eine stabile Verbrennung eines mageren Gemisches oder einer Gemischfüllung mit einem großen Anteil an zurückgeführten Abgasen ermöglicht, ohne daß die Ausgangsleistung verringert oder das Betriebsverhalten verschlechtert wird oder der Kraftstoffverbrauch zunimmt.

Schließlich ist die Erfindung darauf gerichtet, eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, bei welcher die im Leerlauf und im unteren Teillastbereich ausgestpßenen Abgase einen geringeren Anteil an schädlichen Bestandteilen aufweist, als dies bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen der Fall ist.

Gemäß der Erfindung wird eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen, die aufweist eine Brennkammer mit einem Einlaß und einem Auslaß, einen Haupteinlaßkanäl, welcher eine in einer Gemischbildungsvorrichtung erzeugte Luft-Kraftstoff-Gemischfüllung zum Einlaß leitet, eine in dem Haupteinlaßventil angeordnete Drosselklappe, eine in einen Zylinderkopf eingeschraubte Zündkerze, deren Elektrodenspalt innerhalb der Brennkammer eine vorgegebene Lage aufweist, und einen Kolben, der in einem mit dem Zylinderkopf verbundenen Zylinderblock gelagert ist, und die dadurch gekennzeichnet ist, daß in der die Brennkammer begrenzenden Wandung des Zylinderkopfes eine Einlaßbohrung vorgesehen ist, deren Mündung in eine bestimmte Richtung in die Brennkammer

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zeigt, daß mit der Einlaßbohrung ein Zusatzeinlaßkanal verbunden ist, daß eine Gasfördereinrichtung vorgesehen ist, welche selbst dann Gas mit einem ausreichenden Gasdruck in den Zusatzeinlaßkanal fördert, wenn die Brennkraftmaschine im unteren Teillastbereich läuft und die Drosselklappe nur wenig geöffnet ist, daß in dem Zylinderkopf ein Zusatzeinlaßventil vorgesehen ist, welches den Zusatzeinlaßkanal öffnet und verschließt, und daß eine Betätigungseinrichtung vorgesehen ist, welche das Zusatzeinlaßventil während des Saughubes der Brennkraftmaschine in seine öffnungsstellung bewegt.

Das Gas, welches in den Zusatzeinlaßkanal geleitet wird, sollte vorzugsweise Luft sein, kann jedoch auch aus einem Luft-Kräftstoff-Gemisch bestehen oder von dem Abgas der Brennkraftmaschine gebildet sein. In dem Fall, in dem es sich um Luft handelt, dient die Atmosphäre als Gasquelle, und in dem Fall, in dem es sich um eine Gemischfüllung handelt, dient vorzugsweise eine Einlaßsammelleitung als geeignete Gasfördereinrichtung, wenn die Brennkraftmaschine mit einem Vergaser ausgestattet ist, während schließlich in dem Fall, in dem Abgase zugeführt werden, die Abgassammelleitung als geeignete Gasfördereinrichtung dient.

Wenn die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine im Leerlauf oder im unteren Teillastbereich läuft, dann ist die Drosselklappe nur wenig geöffnet, so daß die Drosselung durch die Drosselklappe verstärkt ist und die Geschwindigkeit der durch den Haupteinlaßkanal in die Brennkammer eingeleiteten Luft niedrig ist, was zur Folge hat, daß nur eine kleine Luftmenge in die Brennkammer eingesaugt wird. Hierdurch wird in der Brennkammer während des Saughubes ein hoher Unterdruck erzeugt, so daß von einer Gasquelle zugeführte Luft durch den innerhalb einer Brennkammer herrschenden starken Unterdruck durch die Einlaßbohrung eingesaugt wird, wobei die Einlaßbohrung die Luft in einer bestimmten Richtung in die Brennkammer einleitet. Hierdurch wird ein starker Wirbel oder eine starke Turbulenz der Gemigchfüllung innerhalb der Brennkammer erzeugt, so daß die Verbrennungsgeschwindigkeit erhöht und die Grenze für die Verbrennung einer ma-

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geren Gemischfüllung angehoben werden kann, was einen verringerten Kraftstoffverbrauch zur Folge hat. Da außerdem die durch die Einlaßbohrung eingeleitete Luftströmung in den Bereich des Elektrodenspaltes einer Zündkerze geleitet wird, der sich innerhalb der Brennkammer befindet, wird das Wegspülen der verbrannten Gase erleichtert, so daß die Zündfähigkeit der Gemischfüllung verbessert und die Grenze zur Verbrennung einer mageren Gemischfüllung angehoben werden.

Ferner wird selbst während des Leerlaufbetriebes oder des Betriebes im unteren Teillastbereich der Brennkraftmaschine bei einer ungünstigen Verteilung der Gemischfüllung auf benachbarte Zylinder und einer unbefriedigenden Brennfähigkeit der Gemischfüllung wegen einer niedrigen Wandtemperatur der Brennkammer eine stabile Verbrennung einer mageren Gemischfüllung sichergestellt, ohne daß die Leistung merklich abfällt und der Kraftstoffverbrauch minimal ansteigt, während in vorteilhafter Weise gleichzeitig eine maximale Verringerung der Menge der NOx-Bestandteile in den von der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ausgestoßenen Abgasen erzielt wird, da die maximale Verbrennungstemperatur durch ein erhöhtes Luft/Kraftstoffverhältnis abfällt.

Die Verwendung einer Abgasrückführungsvorrichtung in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine erleichtert die Reduktion der NOx-Bestandteile in den Abgasen, ohne daß das Luft/Kraftstoffverhältnis welches ziemlich umständlich einzustellen ist, auf einen hohen Wert eingestellt werden muß, der annähernd eine Grenze für die Verbrennung bildet, während die eingeleiteten Ströme der von der Gasrückführungsvorrichtung zurückgeführten Abgase verhindern, daß die Zündfähigkeit und die Flammenfortbewegungsgeschwindigkeit verringert werden.

Gemäß der Erfindung wird also eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen, in deren Zylinderkopf eine Einlaßbohrung vorgesehen ist, durch welche kleine Luftströme, insbesondere während des Leerlaufbetriebes oder des Betriebes im unteren Teillastbereich in den Bereich eines Zündkerzenelektrodenspaltes geleitet werden. Die Menge dar eingeleiteten Luft beträgt 5 bis 30 % pro Gewichtseinheit des durch die Einlaßsamme1leitung eingeleiteten Luft-Kraftstoff-Gemisches, und die eingeleitete Luft erzeugt einen Wirbel oder eine Turbulenz, so daß dadurch die

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Brennfähigkeit der Gemischfüllung erhöht wird. Die Einlaßbohrung ist über einen Zusatzeinlaßkanal mit dem Haupteinlaßkanal an einer stromauf von dem Venturiabschnitt des Vergasers gelegenen Stelle verbunden oder an einer zwischen dem Venturlabschnitt und der Drosselklappe des Vergasers gelegenen Stelle.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Darin zeigen:

Fig.1 einen Querschnitt durch ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine;

Fig.2 eine Ansicht entlang der Linie A-A nach Fig.1; Fig.3 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles B nach Fig.1; Fig.4 eine Schnittansicht entlang der Linie C-C nach Fig.1;

Fig.5 ein Leistungsdiagramm der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, aus welchem die Funktionsweise des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine zu entnehmen ist;

Fig.6 eine Schnittansicht durch ein zweites bevorzugtes

Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine;

Fig.7 eine Teilschnittansicht durch ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel;

Fig.8 eine Teilschnittansicht durch ein viertes bevorzugtes Aus führungsbeispiel;

Fig.9 eine Teilschnittansicht durch ein fünftes bevorzugtes Aus führungsbeispiel;

Fig.10 eine Teilschnittansicht durch ein sechstes bevorzugtes

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tes Ausführungsbeispiel und

Fig.11 ein Diagramm, in welchem die Funktionsweise des

sechsten bevorzugten Ausführungsbeispiels gezeigt ist.

In den Fig.1 bis 4 ist ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt, welches das Gehäuse einer Otto-Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, einen Zylinderkopf 12, einen Zylinderblock 14, einen Kolben 16, eine Brennkammer 18, eine Zündkerze 20, einen Haupteinlaß 22, einen Auslaß 24, ein Haupteinlaßventil 26, eine E in laß Sammelleitung 28, einen Vergaser 30 und einen Luftfilter 32 aufweist.

Im Zylinderkopf 12 ist eine Einlaßbohrung 34 vorgesehen, welche in die Brennkammer 18 einmündet. Die Einlaßbohrung 34 besitzt eine öffnung, welche unter den Elektrodenspalt 36 der Zündkerze 20 und in einem bestimmten Winkel zum Kolben 16 angeordnet ist, z. B. in einem Winkel von 30 bis 60° zur Oberfläche des Kolbens 16. Die Einlaßbohrung 34 ist über ein Zusatzeinlaßventil 38 mit einem Zusatzeinlaßkanal 40 verbunden. Das Haupteinlaßventil 26 und das ZuSatzetnlaßventil 38 sind Pilzventile, die jeweils durch einen Kipphebel 42 in an sich bekannter Weise betätigt werden, wobei der Kipphebel seinerseits auf einer Kipphebelwelle 44 befestigt ist und mit einem Nocken 48 im Eingriff steht, der seinerseits auf einer Nockenwelle 46 gelagert ist, die durch die Drehbewegung einer nicht dargestellten Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben wird„ Der Kipphebel 42 besitzt an dem dem Eingriffsende des Kipphebels mit dem Nocken 48 gegenüberliegenden Ende gabelförmige Arme. In diese gabelförmigen Arme sind entsprechende Einstellschrauben 50 bzw. 52 eingeschraubt, wobei das untere Ende der einen Einstellschraube 50 gegen das obere Ende des Ventilschaftes des Haupteinlaßventils 26 anliegt, während das untere Ende der anderen Einstellschraube 52 gegen das obere Ende eines Ventilschaftes des Zusatzeinlaßventils 38 anliegt.

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Mit den Bezugszeichen 54 und 56 sind Ventilfedern und mit den Bezugszeichen 58 und 60 Federsitze und schließlich mit dem Bezugszeichen eine Ventilführung für das Zusatzeinlaßventil 38 bezeichnet. Die Ventile können derart betätigt werden, daß sie während des Saughubes des Kolbens 16 den Durchtritt zur Einlaßbohrung 34 und den Zusatzeinlaßkanal 40 öffnen.

In dem Haupteinlaßkanal 64 befinden sich in einem Vergaserabschnitt ein Venturiteil 66 und eine Drosselklappe 68, und der Haupteinlaßkanal führt von dem Luftfilter 32 über den Vergaser 30 und die Einlaßsammelleitung 28 zum Haupteinlaß 22. In die Innenwandung des Einlaßkanales münden im Bereich der Schließstellung der Drosselklappe 6 8 eine Leerlaufbohrung 70 und eine Teillastbohrung 72 ein, wobei die Leerlaufbohrung und die Teillastbohrung Kraftstoff zuführen, wenn die Brennkraftmaschine im Leerlauf oder mit einer niedrigen Teillast läuft, und in die Leerlaufbohrung 70 ist eine Regulierschraube 74 eingeschraubt. Der Venturiabschnitt 66 besitzt eine Hauptdüse 76, durch welche der Kraftstoff der Brennkraftmaschine zugeleitet wird, wenn die Brennkraftmaschine im mittleren Teillastbereich oder im Vollastbereich läuft.

An die Abgasleitung, z. B. an die nicht dargestellte Abgassamtnelleitung der Brennkraftmaschine, ist mit ihrem einen Ende eine Abgasrückführungsleitung 78 angeschlossen, die mit ihrem anderen Ende über ein Steuerventil 80, welches in der Mitte der Abgasrückführungsleitung angeordnet ist, an die Einlaßsammelleitung 28 angeschlossen ist, wobei das Steuerventil dazu dient, unterschiedliche Betriebszustände der Brennkraftmaschine zu erfassen und die Menge des zurückgeführten Abgases in Abhängigkeit von dem erfaßten Betriebszustand der Brennkraftmaschine zu steuern.

Der Zusatzeinlaßkanal 40 ist über ein Rohr 82 an einer stromauf von dem Venturiabschnitt 66 gelegenen Stelle mit dem Haupteinlaßkanal 6 4 verbunden.

Während des Betriebes wird ein Hauptteil der durch den Luftfilter

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in den Haupteinlaßkanal 64 eingesaugten Luft mit Kraftstoff in einem vorgegebenen Luft/Kraftstoffverhältnis innerhalb des Vergasers 30 vermischt, und die auf diese Weise hergestellte Gemischfüllung wird durch einen Einlaß in die Brennkammer 18 gesaugt. Ein Teil der in den Haupteinlaßkanal eingeleiteten Luft gelangt durch das Rohr 82 und dann durch den Zusatzeinlaßkanal 40 in die Einlaßbohrung 34 und gelangt nun in die Brennkammer 18.

Die Menge der durch die Einlaßbohrung 34 zugeführten Luft und die Stärke des eintretenden Luftstromes ist von dem Öffnungsgrad der Drosselklappe 68 abhängig, d. h. von der Last, mit welcher die Brennkraftmaschine läuft. Wenn insbesondere die Drosselklappe beim Leerlauf oder während eines niedrigen Teillastzustandes nur um einen kleinen Winkel geöffnet ist, dann ist die durch den Haupteinlaßkanal 64 in die Brennkammer eingeleitete Gemischfüllung klein, so daß während des Saughubes in der Brennkammer 18 ein hoher Unterdruck erzeugt wird. Indessen herrscht in dem Abschnitt des Haupteinlaßkanals 64, der stromauf von dem Venturiabschnitt 66 liegt, im wesentlichen Atmosphärendruck, so daß durch die Druckdifferenz zwischen dem in dem Einlaßkanal und der Brennkammer herrschenden Druck eine große Luftmenge mit einem starken Luftstrahl durch die Einlaßbohrung 34 in die Brennkammer 18 gelangt. Infolgedessen bewirkt der durch die Einlaßbohrung eintretende Luftstrom eine starke Verwirbelung oder Turbulenz der Gemischfüllung, die in die Brennkammer 18 eingeleitet wurde, während gleichzeitig die durch die Einlaßbohrung eintretende Luft mit der Gemischfüllung vermischt wird, so daß diese:bei einer ungleichmäßigen Verteilung der Konzentration schichtförmig oder fleckenförmig verteilt wird.

Da die eintretende Luftströmung unterhalb der Zündkerze 20 an dem Zündkerzenspalt 36 vorbeigeleitet wird, werden die sich im Bereich des Zündkerzenspaltes 36 befindlichen Verbrennungsgase durch die eintretenden Luftströme weggespült, so daß eine frische Gemischfüllung in den Bereich des Zündkerzenspaltes gelangt. Es folgt daraus, daß

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zur Zeit der Zündung einer Gemischfüllung, die in der letzten Hälfte des Kompressionshubes erfolgen soll, noch eine starke Verwirbelung oder Turbulenz der Luft und der schichtförmigen oder ungleichmäßig verteilten Gemischfüllung innerhalb der Brennkammer vorhanden ist, und die Verbrennung der in die Brennkammer eingeleiteten Gemischfüllung findet im Bereich des Zündkerzenspaltes 36 statt. Durch Tests wurde ermittelt, daß die Flammenausbreitungsgeschwindigkeit ebenso wie die Verhinderung von Fehlzündungen im Vergleich zu früheren Brennkraftmaschinen wesentlich gesteigert werden konnte, während gleichzeitig der Kraftstoffverbrauch gesenkt wurde, und daß die Verwendung einer mageren Gemischfüllung überhaupt nicht zu einer bemerkenswerten Leistungsabsenkung führte, sondern zu einer Verbesserung der Betriebseigenschaften der Brennkraftmaschine.

Bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel beträgt der Innendurchmesser der Einlaßbohrung 34 etwa 3 mm, während der Innendurchmesser des Zusatzeinlaßkanales 40 in etwa 5 mm beträgt, so daß die während des Betriebes der Brennkraftmaschine in einem niedrigen Teillastbereich durch den Zusatzeinlaßkanal 40 eingeleitete Luftmenge etwa bis 20 % der durch den Haupteinlaßkanal 64 eingeleiteten Luftmenge beträgt. Der Vergaser 30 ist derart eingestellt, daß das Gesamt-Luft/ Kraftstoffverhältnis der durch den Haupteinlaßkanal 64 und durch den Zusatzeinlaßkanal 40 eingeleiteten Luft die im Diagramm gemäß Fig.5 gezeigten Kennwerte aufweist.

In Fig.5 sind Leistungskurven der Brennkraftmaschine dargestellt, wobei auf der Ordinate die Leistung und auf der Abszisse die Drehzahl der Brennkraftmaschine dargestellt ist. Durch die Linie A ist eine Leistungskurve angegeben, welche dann erzielt wird, wenn die Drosselklappe 68 voll geöffnet ist, während durch die Linie B eine Leistungskurve angegeben ist, welche dann erzielt wird, wenn die Drosselklappe ihre Leerlaufstellung aufweist, und durch die ausgezogene Linie C ist schließlich eine Leistungskurve angegeben, welche dann erzielt wird, wenn das Fahrzeug im mittleren Fahrbetrieb fährt.

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Die strichpunktierten Linien sind Linien gleichen Ansaugdrucks in der Einlaßsammelleitung 28, die strichpunkt-punktstrich-Linien sind Linien gleichen Drosselklappenöffnungsgrades, während die gestrichelten Linier Linien gleichen Luft/Kraftstoffverhältnisses sind.

Die an den gestrichelten Linien angegebenen Zahlen bedeuten das Luft/ KraftstoffVerhältnis. Ein schraffierter Bereich D entspricht einer niedrigen Teillastzone im Stadtfahrbetrieb. In diesem schraffierten Bereich D beträgt das Luft/Kraftstoff verhältnis etwa 15 bis 17 und ist größer als das Luft/Kraftstoffverhältnis in der gleichen Betriebszone einer herkömmlichen Brennkraftmaschine.

Die Menge der beim Saughub durch die Abgasrückführungsleitung 78 in die Einlaßsammelleitung 28 eingesaugten Abgase wird durch das Steuerventil 80 gesteuert. Die Menge der zurückgeführten Abgase ist so eingestellt, daß die Menge der ΝΟχ-Bestandteile innerhalb der Abgase auf einem vorgegebenem Wert gehalten wird.

Andererseits wird im Vollastbereich, in welchem die Drosselklappenöffnung groß ist, eine große Menge der Gemischfüllung durch den Haupteinlaßkanal 64 in die Brennkammer 18 eingesaugt. Infolgedessen wird die durch den Zusatzeinlaßkanal 40 einströmende Luftmenge und die Stärke der Luftströmung verringert, so daß eine verringerte Verwirbelung der einströmenden Luft erzielt wird. In diesem Fall ist jedoch der Füllungswirkungsgrad groß, und es wird ein starker Wirbel oder eine starke Turbulenz des Füllungsgemisches erzeugt, wenn dieses von dem Haupteinlaß 22 in die Brennkammer 18 strömt, und die Innenwandtemperatur der Brennkammer 18 steigt an. Diese Faktoren sind einflußreich genug, um die Flammenfortbewegungsgeschwindigkeit und die Verbrennung zu steigern, ohne daß die Luftströmung durch die Einlaßbohrung 34 zur Erzielung eines starken Wirbels oder einer Turbulenz erforderlich ist.

Durch das vorbeschriebene Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen

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Brennkraftmaschine werden die nachfolgenden genannten Vorteile erzielt. Kenn die Brennkraftmaschine im unteren Teillastbereich läuft, in welchem die Verbrennungsbedingungen nicht befriedigend sind, da die Innenwandtemperatur der Brennkammer 18 vergleichsweise niedrig ist und der Füllungsgrad klein ist, kann eine stabile Verbrennung der Gemischfüllung nicht nur erzielt werden, wenn die Gemischfüllung mit Luft vermischt wird, welche durch die Einlaßbohrung 34 in die Brennkammer 18 strömt, so daß eine Gemischfüllung erzielt wird, die einige Abgasbestandteile enthält und ein Gesamt-Luft/Kraftstoffverhältnis von etwa 11 bis 14 besitzt, sondern auch dann, wenn die magere Gemischfüllung ein Gesamt-Luft/Kraftstoffverhältnis von etwa 15 bis 21 besitzt. Starke Luftströmungen durch die Einlaßbohrung 34 tragen zur Ausbildung eines starken Wirbels oder einer starken Turbulenz einer Gemischfüllung innerhalb der Brennkammer bei, und die auf diese Weise eingeblasene Luft wird mit einer Gemischfüllung vermischt, welche durch den Haupteinlaßkanal schichtförmig oder in ungleichmäßiger Verteilung der Konzentration zugeführt wird, so daß eine vergrößerte Verbrennungsgeschwindigkeit und damit eine verringerte Verbrennungszeit erzielt wird, ohne daß damit eine Zunahme der in den Abgasen enthaltenen NOx-Bestandteile verbunden ist. Außerdem werden der Kraftstoffverbrauch verringert und das Betriebsverhalten des Motors verbessert, während gleichzeitig die Menge der unverbrannten Abgasbestandteile, wie z. B. HC und CO verringert wird.

Da bei dem in den Fig.1 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispiel das Haupteinlaßventil 26 und das Zusatzeinlaßventil 38 durch den gleichen Kipphebel betätigt werden, werden diese Ventile im wesentlichen gleichzeitig geöffnet. Es ist jedoch auch möglich, daß für jedes Ventil ein gesonderter Kipphebel vorgesehen ist, so daß die Öffnungszeit des Zusatzeinlaßventils 38 innerhalb der Öffnungsperiode des Haupteinlaßventils 26 liegt.

Ein in der Fig.6 gezeigtes zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist so ausgelegt, daß in dem mit den Zusatzeinlaßkanal

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40 verbundenen Rohr 82 ein Umsteuerventil 84 vorgesehen ist. Das Umsteuerventil 84 ist derart geschaltet, daß es den Durchgang von Luft oder Abgasen ermöglicht. Ein Ventilkörper 86 des Umsteuerventils 84 ist mittels einer Ventilstange 88 im mittleren Bereich einer Membran 92 befestigt. Die Membran 92 teilt zwei Kammern ab, nämlich eine Kammer 94, die gegenüber der Atmosphäre geöffnet ist, von einer anderen Kammer 96, die über ein Rohr 98 mit der Einlaßsamme!leitung 28 verbunden ist. In der Kämmer 96 ist eine Feder 100 angeordnet, welche die Membran 92 gewöhnlich in bezug auf die Fig.6 nach oben drückt. Die Kammer 102, die den Ventilkörper 86 aufnimmt, besitzt eine obere öffnung, an welche ein Ende des zum Haupteinlaßkanal 64 führenden Rohres 82 angeschlossen ist, sowie eine seitliche öffnung, die mit dem zum Zusatzeinlaßkanal 40 führenden Rohrteil 82 verbunden ist. Die Kammer 102 ist über eine Durchgangsbohrung 106 mit einer Kammer 108 verbunden, wobei die Durchgangsbohrung 106 in einer Trennwand 104 angeordnet ist. Die Ventilstange 88 erstreckt sich senkrecht durch die Durchgangsbohrung 106. Die Kammer 108 besitzt eine seitliche öffnung, welche mit einer Zweigleitung 110 verbunden ist, die an die Abgasrückführungsleitung 78 angeschlossen ist.

Der Ventilkörper 86 wird senkrecht in Abhängigkeit von der Bewegung der Membran 92 verschoben, so daß er die öffnung des Rohres 82 verschließt, wenn er nach oben bewegt wird, und die Durchgangsbohrung 106 verschließt, wenn er nach unten bewegt wird.

Ein in dem Rohr 82 angeordnetes Rückschlagventil 112 läßt die Luft von dem Haupteinlaßkanal 6 4 nur in einer Richtung zur Kammer 102 durch. Die Membranvorrichtung 90 ist derart ausgelegt, daß sie entgegen der Kraft der Feder 100 in ihre unterste Position bewegt wird, wenn in der Kammer 96 ein größerer Unterdruck als ein vorgegebener Unterdruck von z. B. 300 mmHg herrscht.

Wenn die Brennkraftmaschine im Leerlaufbetrieb oder im unteren Teillastbetrieb läuft, dann ist der Öffnungsgrad der Drosselklappe 68 klein, und der Ansaugdruck steigt über ein vorgegebenes Unterdruck-

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niveau an. Die Membran 92 wird infolgedessen nach unten durchgebogen, so daß der Ventilkörper 86 die Durchgangsbohrung 106 verschließt. Dadurch wird die sich in dem Haupteinlaßkanal 64 stromauf von dem Venturiabschnitt 66 befindliche Luft zur Einlaßbohrung 34 geleitet. Wenn der in der Ansaugsammelleitung herrschende Unterdruck unter ein vorgegebenes Unterdruckniveau fällt, was z.B. während eines Betriebes der Brennkraftmaschine im Vollastbereich der Fall ist, wo die Drosselklappe 6 3 weit geöffnet ist, dann wird die Membran 92 nach oben bewegt, so daß der Ventilkörper 86 die Öffnung des Rohres 82 verschließt. Infolgedessen werden die durch die Abgasrückführungsleitung 78 zurückgeführten Abgase über die Zweigleitung 110, die Kammer 108, die Durchgangsbohrung 106, die Kammer 102, das im Bereich des Zusatzeinlaßkanals befindliche Rohr 82 und den Zusatzeinlaßkanal 40 in die Einlaßbohrung 34 eingeleitet. Wenn die Brennkraftmaschine also im unteren Teillastbereich läuft, dann wird ein starker Luft- ■ strom durch die Einlaßbohrung 34 in die Brennkammer 18 eingeleitet, so daß die Gemischfüllung bei einer ungleichmäßigen Verteilung der Konzentration magerer wird und gleichzeitig ein starker Wirbel oder eine Turbulenz in der Gemischfüllung erzeugt wird, was die Erzielung der gleichen Vorteile wie bei dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel zur Folge hat. Wenn andererseits die Brennkraftmaschine im Vollastbereich läuft, in welchem nur ein schwacher Luftstrom durch die Einlaßbohrung 34 eingeleitet wird, dann werden die durch die Abgasrückführungsleitung 78 zurückgeführten Abgase sowohl durch den Haupteinlaßkanal 64 als auch durch die Einlaßbohrung 34 eingeleitet, so daß eine vergrößerte Abgasmenge wieder zurückgeführt wird. Dies führt zu einer Verringerung der in den Abgasen enthaltenen NOx-Bestandteile.

Das in der Fig.7 dargestellte dritte bevorzugte Ausführungsbeispiel ist derart konstruiert, daß das an den Haupteinlaßkanal 64 stromauf von dem Venturiabschnitt 6 6 angeschlossene Rohr 82 mit einem Kanal 116 für Zusatzluft verbunden ist, die mittels einer Luftpumpe 114 in ein Abgassystem zu einer nicht dargestellten Abgasreinigungsvorrichtung geleitet wird, wie z. B. zu einem thermischen Reaktor, einem katalytischen Konverter o.dgl., welcher zum Zwecke der Verbrennung der unverbrannten Abgasbestandteile im Abgassystem der Brennkraft-

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maschine vorgesehen ist. Die Einlaßbohrung 34' besitzt einen größeren Durchmesser, welcher dem Durchmesser einer Bohrung im Ventilsitzabschnitt des Zusatzeinlaßventiles 38 entspricht, obwohl der Durchmesser der Einlaßbohrung 34 bei dem ersten Ausführungsbeispiel etwa 3 mm entspricht. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Druckunterschied zwischen dem von der Luftpumpe erzeugten Druck und dem in der Brennkammer während des Saughubes herrschenden Druck groß, und in die Brennkammer kann eine große Luftmenge eingeleitet werden, weil die Einlaßbohrung 34' einen großen Durchmesser aufweist. Die in diesem Ausführungsbeispiel gezeigte Brennkraftmaschine ist deshalb insbesondere in den Fällen geeignet, in denen eine große Luftmenge benötigt wird.

Das in der Fig.8 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel ist eine modifizierte Form des ersten Ausführungsbeispiels. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Rohr 82 mit einem Abschnitt des Haupteinlaßkanals 6 4 verbunden, der zwischen dem Venturiabschnitt 66 und der Drosselklappe 6 8 liegt. Wenn die Brennkraftmaschine in einem unteren Teillastbereich läuft, in welchem die Drosselklappe 68 nur wenig geöffnet ist und der Kraftstoff im wesentlichen durch ein Leerlaufsystem über die Leerlaufbohrung 70 und die Teillastbohrung 72 zugeführt wird, während nur wenig Kraftstoff durch die Hauptdüse gelangt, dann wird durch die Einlaßbohrung 3 4 nur ein extrem mageres Gemisch mit sehr wenig durch die Hauptdüse 76 zugeführtem Kraftstoff in die Brennkammer 18 eingeleitet. Wenn andererseits die Brennkraftmaschine in dem Vollastbereich läuft, dann gelangt durch die Einlaßbohrung 34 eine Gemischfüllung in die Brennkammer, deren Luft/ Kraftstoff Verhältnis im wesentlichen dem--Luft/Kraftstoff verhältnis einer Gemischfüllung entspricht, welche durch den Haupteinlaßkanal 6 4 in die Brennkammer eingesaugt wird.

Da bei diesem Ausführungsbeispiel eine Gemischfüllung mit dem oben beschriebenen Luft/Kraftstoffverhältnis durch die Einlaßbohrung 34 in die Brennkammer 18 eingeleitet wird, werden starke Wirbel oder Turbulenzen in einer Gemischfüllung innerhalb der Brennkammer 18 erzeugt, so daß die Verbrennungsgeschwindigkeit gesteigert wird. Wenn

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außerdem die Einlaßbohrung 34 derart angeordnet ist, daß sie in die Richtung des Elektrodenspaltes 36 der Zündkerze 20 zeigt, um die verbrannten Abgase wegzuspülen, die sich im Bereich des Elektrodenspaltes aufhalten, dann werden bessere Verbrennungsergebnisse erzielt.

Bei dem in der Fig.9 dargestellten fünften bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind das Zusatzeinlaßventil 38 und die Betätigungsmechanik für das Ventil gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel weggelassen, während andererseits ein Rückschlagventil 118 als Zusatzeinlaßventil in dem Zusatzeinlaßkanal 40 vorgesehen ist, welches in Abhängigkeit von einem in der Brennkammer 18 erzeugten Unterdruck geöffnet wird. Das Rückschlag 118 ist in eine Gewindebohrung 120 eingesetzt, in welche das Rohr 82 eingeschraubt ist, und besteht aus einem Ventilkörper 122 und einer Feder 124, die den Ventilkörper 122 normalerweise in Schließrichtung des Ventils drückt. In den Zylinderkopf ist im Bereich des Rückschlagventils 118 eine Kühlwasserleitung 126 vorgesehen, mit welcher das Rückschlagventil gekühlt wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Einlaßbohrung 34 derart angeordnet, daß sie in den Bereich eines Elektrodenspaltes der Zündkerze 20 weist.

Wenn in der Brennkammer 18 während eines Saughubes ein Unterdruck erzeugt wird, dann wird das Rückschlagventil 122 geöffnet, so daß Luft über die Leitung 82, den Zusatzeinlaßkanal 40 und durch die Einlaßbohrung 34 in die Brennkammer 18 gelangt, wodurch eine Restgemischfüllung, welche sich im Bereich des Elektrodenspaltes 36 der Zündkerze 20 aufhält, weggespült wird, während gleichzeitig ein starker Wirbel oder eine Turbulenz der Gemischfüllung innerhalb der Brennkammer 18 erzeugt wird.

Das in der Fig.10 gezeigte sechste Ausführungsbeispiel der Erfindung ist derart ausgelegt, daß in dem Zylinderkopf 12 oberhalb der Brennkammer 18 eine zylindrische Einlaßkammer 128 vorgesehen ist, welche über die Einlaßbohrung 34 mit der Brennkammer 18 in Verbindung steht, wobei die Einlaßbohrung in die untere Stirnwand der zylindrischen

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Einlaßkanuner 128 einmündet. Innerhalb der Einlaßkamraer 128 befindet sich ein Hilfskolben 130, welcher mittels einer Ventilbetätigungsmechanik innerhalb der Einlaßkammer 128 in senkrechter Richtung bewegt werden kann, wobei die Ventilbetätigungsmechanik ihrerseits durch eine Drehung der Nockenwelle 46 betätigt wird. Der Zusatzeinlaßkanal 40 ist bei diesem Ausführungsbaispiel derart ausgelegt, daß ein Ende über ein Luftfilter 132 in die Atmosphäre mündet, wobei der Luftfilter lediglich für diesen Kanal vorgesehen ist, während das andere Ende in die Innenwandung der Einlaßkammer 128 einmündet, so daß die öffnung des Zusatzeinlaßkanals 40 am anderen Ende durch ein öffnen oder Schließen der in die Wandung mündenden öffnung mittels des Hilfskolbens 130 erfolgt, wenn sich der Hilfskolben in senkrechter Richtung bewegt. Es ist ferner ein Kipphebel 134 gezeigt, der den Hilfskolben 130 bewegt, sowie ein Federsitz 136, eine Rückstellfeder 138 und ein Nocken 140, welcher auf der Nockenwelle 46 gelagert ist. Der Nocken 140 weist ein entsprechendes Profil auf, damit der Hilfskolben 130 in der durch die Kurve in Fig.11 gezeigten Weise bewegt wird.

Bei dem in der Fig.11 dargestellten Diagramm bezeichnet das Bezugszeichen X eine Zeitdauer,in welcher der Zusatzeinlaßkanal 40 mit der Einlaßkamraer 128. verbunden ist, während das Bezugszeichen Y diejenige Zeitdauer bezeichnet, in welcher der Hilfskolben 130 einen Kompressionshub ausführt, um die sich innerhalb der Einlaßkammer befindliche Luft zu komprimieren. Der Zusatzeinlaßkanal 40 und die Einlaßbohrung 34 bleiben während des Saughubes des Hauptkolbens miteinander in Verbindung (falls es erwünscht ist, kann dies auch während des beginnenden Kompressionshubes geschehen).

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird Luft durch einen in der Brennkammer während der Periode X herrschenden Unterdruck durch die Einlaßbohrung 34 in die Brennkammer 18 gesaugt, und während der Zeitdauer Y wird die Einleitung von Luft durch den von dem Hilfskolben 130 ausgeübten Druck eingeleitet, so daß der Druck der durch die Einlaßbohrung eintretenden Luftströmung über eine größere Zeitdauer angehoben ist, als dies bei den vorher beschriebenen Ausführungs-

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beispielen der Fall ist, wodurch die Verwirbelung oder Turbulenz einer Geraischfüllung verstärkt wird.

Wenn bei diesem Ausführungsbeispiel ferner die Luftströme von der Einlaßbohrung 34 zum Elektrodenspalt 36 der Zündkerze 20 geleitet werden, dann erfolgt unmittelbar vor der Zündung durch die eintretenden Luftströme eine Spülung, so daß eine sehr magere Gemischfüllung verbrannt werden kann.

Bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen wird eine optimale Ansaugluftmenge durch den Zusatzeinlaßkanal in die Brennkammer geleitet, je nachdem welcher Brennkraftmaschinentyp Verwendung findet, jedoch sollte die eingeleitete Luftmenge vorzugsweise auf den Bereich von 5 bis 30 % pro Gewichtseinheit des eingeleiteten Kraftstoff/ Luftgemisches begrenzt sein, welches durch den Haupteinlaßkanal 64 eingeleitet wird, wenn die Brennkraftmaschine in einem unteren Teillastbereich läuft.

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Claims (15)

P 10 686 Patentansnrüche

1. ) Brennkraftmaschine mit einer Brennkammer, die einen Einlaß und einen Auslaß aufweist, mit einem Haupteinlaßkanal, welcher eine in einer Gemischbildungsvorrichtung erzeugte Luft-Kraftstoff-Gemischfüllung zum Einlaß leitet, mit einer in dem Haupteinlaßkanal angeordneten Drosselklappe, mit einer in einen Zylinderkopf eingeschraubten Zündkerze, deren Elektrodenspalt innerhalb der Brennkammer eine vorgegebene Lage aufweist, und mit einem Kolben, der in einem mit dem Zylinderkopf verbundenen Zylinderblock gelagert ist, dadurch gekennzeichnet , daß

a.) in der die Brennkammer (18) begrenzenden· Wandung des Zylinderkopfes (12) eine Einlaßbohrung (34, 34') vorgesehen ist, deren Mündung in eine bestimmte Richtung in die Brennkammer zeigt,

b.) mit der Einlaßbohrung ein Zusatzeinlaßkanal (40) verbunden ist,

c.) eine Gasfördereinrichtung (6 4, 114) vorgesehen ist, welche selbst dann Gas mit einem ausreichenden Gasdruck in den Zusatzeinlaßkanal fördert, wenn die Brennkraftmaschine im unteren Teillastbereich läuft und.die Drosselklappe (68) nur wenig geöffnet ist,

d.) in dem Zylinderkopf ein Zusatzeinlaßventil (38) vorgesehen ist, welches den Zusatzeinlaßkanal öffnet und verschließt, und

e.) eine Betätigungseinrichtung (42) vorgesehen ist, welche das Zusatzeinlaßventil während des Saughubes der Brennkraftmaschine in seine Öffnungsstellung bewegt.

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2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gemsichbeiübungseinrichtung ein Vergaser (30) ist, der einen Venturiabschnitt (66} aufweist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1_f dadurch gekennzeichnet , daß das Zusatzeinlaßventil und die Betätigungseinrichtung von einem federbeiasteten Rückschlagventil (118) gebildet sind, welches in Abhängigkeit von einem über einen vorgegebenen Wert liegenden und in der Brennkammer (18) während des Saughubes der Brennkraftmaschine erzeugten Unterdruckes öffnet.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Betätigungseinrichtung eine Nockenwelle (46) aufweist, die sich während der Hübe des Kolbens (16) dreht, sowie eine Ventilsteuereinrichtung (42), welche mit einem auf dar Nockenweile befestigten Nocken (48) im Eingriff steht und gegsn das Ventil (38) anliegt, um dieses während der Kolbenhübe zu öffnen und zu schließen.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Susatzeinlaßventil (3 8) ein Pilzventil ist.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Gas fördereinrichtung von einem Teil des Haupteinlaßkanals (6 4) gebildet ist, welcher stromauf von dem Venturiabschnitt (66) des Vergasers (30) angeordnet ist.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Gas fördereinrichtung von einem Teil des Haupteinlaßkanals (64) gebildet ist, welcher zwischen dem Venturiabschnitt (66) des Vergasers (30) und der Drosselklappe (86) angeordnet ist.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasfördereinrichtung eine Abgasleitung ist

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9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Mündung der Einlaßbohrung (34) in den Bereich des Elektrodenspaltes (36) der Zündkerze (20) weist.

10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Mündung der Einlaßbohrung (34') auf den Kolbenboden gerichtet ist.

11. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5,.dadurch gekennzeichnet , daß das Zusatzeinlaßventil von einem Hilfskolben (130) gebildet ist, welcher senkrecht hin- und herbewegbar in einer Zylinderbohrung (128) des Zylinderkopfes (12) gelagert ist, daß der Zusatzeinlaßkanal (3 8) in die Innenwand der Zylinderbohrung einmündet, daß die Einlaßbohrung (34) mit einer an der Bodenseite der Zylinderbohrung angeordneten öffnung verbunden ist, daß der Hilfskolben mit seiner Mantelfläche die Mündungsöffnung des Zusatzeinlaßkanales öffnet bzw. verschließt, wenn er auf der Zylinderbohrungswand entlanggleitet, und daß der Hilfskolben innerhalb der Zylinderbohrung gleichzeitig mit dem in der Brennkammer (18) stattfindenden Kompressionshub die Luft verdichtet, so daß durch die Einlaßbohrung Luft in die Brennkammer eingeblasen wird.

12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Gasfördereinrichtung von einem Kanal (116) gebildet ist, durch welchen mittels einer Pumpe (114) Zusatzluft zur Reinigung von Abgasen gepumpt wird.

13. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abgasrückführungseinrichtung (78) vorgesehen ist, durch welche ein Teil der Abgase zum Haupteinlaßkanal (64) zurückgeleitet wird.

14. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet , daß die Menge der von der im unteren Teillastbereich laufenden Brennkraftmaschine angesaugten und durch

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den Zusatzeinlaßkanal geleiteten Luft etwa 5 bis 30 % pro Gewichtseinheit des angesaugten Luft-Kraftstoff-Gemisches beträgt, welches durch den Haupteinlaßkanal geleitet wird.

15. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Gasfördereinrichtung von mehreren Einrichtungen zur Zuführung von Luft, einer Gemischfüllung und von Abgasen gebildet ist, und daß ein Umsteuerventil (84) in dem Zusatzeinlaßkanal (40) vorgesehen ist, welches wahlweise in Abhängigkeit von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine eine bestimmte Gasart von den Gasfördereinrichtungen in die Brennkammer leitet.

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