DE2729117C2

DE2729117C2 - Verfahren zum Zünden eines brennbaren Gemisches in einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE2729117C2
Application number: DE2729117A
Authority: DE
Inventors: Takashi Kato; Tatsuo Susono Shizuoka Kobayashi; Norihiko Mishima Nakamura
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1977-03-28
Filing date: 1977-06-28
Publication date: 1984-05-03
Also published as: JPS53120005A; US4176646A; DE2729117A1; JPS5621889B2

Description

Von der Anmelderin ist früher eine Verbrennungskraftmaschine nach dem Vergaserprinzip vorgeschlagen worden, weiche eine Hilfsbrennkamnier aufweist, die über einen Verbindungskanal nur mit der Hauptbrennkammer in Verbindung steht Bei dieser Maschine ist die Elektrodenstrecke einer Zündkerze in dem oder in der Nähe des Verbindungskanals angeordnet Außerdem beträgt bei dieser Ma: ;hine das Verhältnis des Volumens der Hilfsbrennkammer zur Querschnittsfläche des Verbindungskanals etwa 5 bis 15 cmVcm², so daß während des Verdichtungstaktes in der Hilfsbrennkammer eine starke Wirbelbewegung des in sie einströmenden Gasgemisches hervorgerufen wird. Diese Wirbelbewegung dauert so lange an, bis der Kolben in der Hauptbrennkammer den oberen Totpunkt erreicht (DE-OS 26 59 605).

Bei einer Verbrennungskraftmaschine dieser Art wird bei langsamem Lauf in der Hüfsbrennkammer während des Anwachsens der Flamme eine geeignete Turbulenz hervorgerufen. Auf diese Weise kann sich die Flamme im gesamten Raum der Hilfsbrennkammer schnell ausbreiten, was eine Steigerung der Verbrennungsgeschwindigkeit in der Hilfsbrennkammer ergibt Man erhält so eine sehr stabile Verbrennung. Wenn diese Verbrennungskraftmaschine bei geringer Belastung oder fast belastungslos schnell läuft, dann ist die Geschwindigkeit des durch den Verbindungskanal strömenden Gasgemisches extrem hoch. Als Folge

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werden. Dies bedeutet unter diesen Bedingungen ist das brennbare Gemisch mit Hilfe einer Zündkerze nur sehr schwierig zu zünden. Selbst wenn das Gemisch von der Zündkerze gezündet wurde, dann kann sich die Flamme in der Hilfsbrennkammer nicht ausbreiten, weil die Turbulenz in der Hilfsbrennkammer extrem stark ist und außerdem ein sehr hoher Anteil von Restgasen in ihr zurückgeblieben ist Dies führt zu Fehlzündungen. Man sieht hieraus, daß wegen mangelhafter Flammfortpflanzung Fehlzündungen auftreten können. Es sei jedoc_ Hinzugefügt, daß solche Fehlzündungen relativ selten sind, & h. auf etwa 100 einwandfreie Zündungen höchstens eine Fehlzündung in der Hilfsbrennkammer kommt

Als Verfahren, solche Fehlzündungen zu vermeiden, könnte man den Zündzeitpunkt bei schnellem, fast belastungslosen Lauf der Maschine verzögern. Diese Verfahrensweise hat jedoch den Nachteil, daß der Kraftstoffverbrauch ansteigt und man einen zweiten

ίο Zündzeitpunktversteller zusätzlich zu dem bei jeder Verbrennungskraftmaschine ohnehin vorhandenen Zündzeitpunktversteller benötigt

Auch hat man schon versucht, die Fehlzündungen dadurch auszuschließen, daß man die Querschnittsfläche des Verbindungskanais vergrößert, um die Geschwindigkeit des während des Verdichtungstaktes in die Hiifsbrennkammer strömenden Gasgemisches herabzusetzen und die Turbulenz in der Hilfsbrennkammer zu verringern. Diese Verfahrensweise hat jedoch den Nachteil, daß sich dann kein starker Flammstrahl ergibt, wie er zur Entflammung des in der Hauptbrennkanimer vorhandenen Gasgemischs erwünscht ist Man erhält so in der Hauptbrennkammer keine besonders hohe Verbrennungsgeschwindigkeit und keine stabile Verbrennung.

Als weitere Möglichkeit, Fehlzündungen zu vermeiden, hat man auch schon erwogen, die Verbrennungskraftmaschine so zu konstruieren, wie es in Fig.7 dargestellt ist, wo die Hilfsbrennkammer so aufgebaut ist, daß in ihr kein Gaswirbel hervorgerufen wird (DE-OS 24 36 698). Selbst bei hoher Einströmgeschwindigkeit während des Verdichtungstaktes wird bei dieser Maschine in der Hilfsbrennkammer kein Wirbel hervorgerufen. Auf diese Weise nimmt die Geschwindigkeit der Gasströmung in der Hilfsbrennkammer sehr schnell ab. Selbst wenn diese Maschine bei nahezu fehlender Belastung schnell ääuft, ergeben sich keine Fehlzündungen. Wenn diese Maschine jedoch langsam läuft dann ist wegen der geringen Turbulenz der Gase in der Hilfsbrennkammer die Verbrennungsgeschwindigkeit in ihr sehr niedrig. Daher kann sich nicht der erwünschte starke Flammstrahl für die Zündung des Gasgemisches in der Hauptbrennkammer ausbilden. Dies führt zu einem Ansteigen unverbrannter Komponenten in den Abgasen und zu einer Verminderung der Ausgangsleistung der Maschine. Eine relativ niedrige Drehzahl i$t jedoch beim normalen Fahren mit einem Fahrzeug üblich. Da dies der häufigste Betriebszustand ist ergeben sich ernste Probleme hinsichtlich der Umweltbelastung.

Es ist auch schon vorgeschlagen worden, die Zündenergie auf da;, 5- bis lOfache des üblichen zu steigern. Dies führt jedoch zu einem Ansteigen der Herstellungskosten für Zündkerzen und zu einer Verminderung von deren Lebensdauer. Zusätzlich müssen hier besondere Maßnahmen gegen das Auftreten von Kurzschlüssen in der Zündspule und im Hnrhcnanniincrikahel getroffen werden. Weiterhin muß die Leistungsfähigkeit des Wechselrichters oder Generators und die Kapazität der Batterie gesteigert werden. Diese Schwierigkeiten stehen der Heraufsetzung der Zündenergie in der Praxis im Wege.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs beschriebenen Art anzugeben, mit dessen Hilfe es möglich ist, das Auftreten von Fehlzündungen bei schnellem, gering oder nicht belastetem Lauf der Maschine zu verhindern.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs gelöst Demnach wird die Funkenentladung an der Zündkerze über einen längeren Zeitraum während des Verdichtungstaktes aufrechterhalten. Dieses Merkmal ist an sich bereits aus der DE-OS 24 01599 bekannt und dient dort der Verminderung der Schadstoffanteile im Abgas der Maschine. Hinsichtlich der Unterdrückung von Fehlzündungen ist nichts erwähnt

Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme in auf die F i g. 1 bis 6 näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 ein Übersichtsbild einer Verbrennungskraftmaschine,

Fig.2 einen Schnitt durch den Motorblock der Maschine nach F i g. 1,

Fi g. 3 eine graphische Darstellung über ό-s Restgasverhältnis usw. in der Hilfsbrennkanitner,

Fig.4 eine graphische Darsteiiung »"?es > -stgasverhältnisses in der Hauptbrennkamirer,

Fig.5 eine graphische Darstellung J.,r Zusammenhänge zwischen dem Krafisio^f) erbrauch und dem optimalen Zündzeitpunkt,

Fig.6 einen Schnitt dura, jine andere, nach der erfindungsgemäßen Art arbeitende Verbrennungskraftmaschine.

Es sei nun zunächst F i g. 1 betrachtet In il«r ist ein Motorblock 10, eine Ansaugleitung 11, ein Vergaser 12, ein Luftfilter 13, eine Abgasleitung 14, ein Verteiler 15, sin Zündgenerator 16 und eine Zusatzluftleitung 17 dargestellt Die Zusatzluftleitung 17 ist mit der Frischluftseite des Luftfilters 13 über ein Klappenventil 18 und ein hier nicht gezeigtes Luftfilter und andererseits mit einem hier nicht dargestellten Auslaßkanal im Motorblock 10 verbunden. Wenn in der Abgasleitung aufgrund der Druckpulsation im Abgas ein Unterdruck erzeugt wird, dann öffnet sich automatisch das Klappenventil 18, so daß Zusatzluft durch die Leitung 17 strömt

Bei einer Verbrennungskraftmaschine überlappen sich gewöhnlich die Öffnungszeiten von Einlaß- und 4"o Auslaßventil, wenn sich der Kolben nahe dem oberen Totpunkt befindet Wenn daher der Kolben den oberen Totpunkt überschreitet und der Ansaugtakt beginnt, ist das Auslaßventil noch leicht geöffnet Als Folge davon wird zu diesem Zeitpunkt das im Auslaßkanal +5 vorhandene Abgas wieder in den Zylinder rückgesaugt. Wenn nun Zusatzluft in den Auslaßkanal in der obenerwähnten Weise zugeführt wird, dann wird diese Zusatzluft in der erwähnten Überlapoungsperiode de· Ventilöffnung in den Zylinder gesaugt und als Foige davon wird das Verhältnis der in der Verbrennungskammer verbliebenen Restgase zur Menge des in der Brennkammer unmittelbar vor dem Zünden vorhandenen Luft-Kraftstoffgemisches herabgesetzt. Dieses Verhältnis wird nachfolgend als Restgasverhältnis bezeichnet Selbstverständlich wird ein großer Teil der zusätzlich in den Abgaskanal zugeführten Luft zur Nachverbrennung inverbrannter Anteile im Abgas verwendet

F i g. 2 zeigt einen Längsschnitt durch den Motorblock 10 von Fig. 1. Mit 20 ist hier ein Zylinderblock, mit 21 ein darin beweglicher Kolben, mit 22 ein Zylinderkopf, mit 23 eine Zylinderkopfdichtung und mit 24 eine zwischen dem Zylinderkopf 22und:dem Kojben 21 ausgebildete Hauptbrennkammer bezeichnet. 25 ist ein Hilfsbrennkammereinsatz, der mit Preßsitz in eine Ausnehmung 26 im Zylinderkopf 22 eingesetzt ist. In diesem Einsatz ist jine Hilfsbrennkammer 27 ausgebildet, die über einen Verbindungskanal 28 mit der Hauptbrennkammer 24 in Verbindung steht Weiterhin sind ein Einlaßventil 29 und eine Zündkerze 30 erkennbar. Die Oberschlagsstrecke 31 der Zündkerze 30 ist im Verbindungskanal 28 angeordnet, 30 daß das in die Hilfsbrennkammer 27 strömende brennbare Gasgemisch direkt auf die Elektroden der Zündkerze 30 auftrifft Das Verhältnis zwischen dem Volumen der Hilfsbrennkammer 27 und der Querschnittsfläche des Verbindungskanals 28 liegt im Bereich zwischen 5 und 15 cmVcm².

Während des Ansaugtaktes wird das im Vergaser 12 (Fig. 1) gebildete Luft-Kraftstoffgemisch in die Hauptbrennkammer 24 über das Einlaßventil 29 eingeleitet Während des Verdichtungstaktes wird das in der Hauptbrennkammer 24 vorhandene Gemisch durch den Verbindungskanal 28 hindurch in die Hilfsbrennkammer 27 hineingedrückt Wie Fig.2 erkennen läßt, mündet der Verbindungskanal 28 tangential zur Innenwand in die Hilfsbrennkammer 27. Das in die Hilfsbrennkammer 27 hineingedrückte Gemisch ruft daher in der Hilfsbrennkammer 27 eine starke Wirbelbewegung hervor, die in F i g. 2 mit dem Pfeil A eingezeichnet ist Die von der Zündkerze 30 erzeugte FI'Time fließt dann zusammen mit den brennbaren Gasen in die Hilfsbrennkammer 27 hinein und wird dabei größen Aufgrund des starken Wirbels in der Hilfsbrennkammer 27 breitet sich die Flamme sehr schnell über ihren gesamten Innenraum au* Als Folge davon steigt der Druck in der Hilfsbrennkammer 27 an, wodurch ein starker Flammstrahl erzeugt wird, der sich aus der Hilfsbrsnnkammer 27 durch den Verbindungskanal 28 hindurch in die Hauptbrennkammer 24 ergießt Diese·· Flammstrahl erzeugt eine Turbulenz in der Hauptbrennkammer 24, was zu einer schnellen Verbrennung der dort vorhandenen brennbaren Gase führt

Wie zuvor erwähnt, besteht zwischen dem Volumen der Hilfsbrennkammer 27 und der Querschnittsfläche des Verbindungskanals 28 ein bestimmtes Verhältnis. Wenn dieses Verhältnis eingehalten wird, dann reicht die erzeugte Turbulenz auch bei langsamem Lauf der Maschine aus, um in der Hilfsbrennkammer 27 eine gute Verbrennung zu bewirken. Selbst wenn ein mageres LLit-Kraftstoffverhältnis, etwa ein Verhältnis von 18 :1 oder ein etwa stöchiometrisches Verhältnis mit Abgasanteil von 10% oder mehr, bezogen auf die in den Zylinder eingeführte Luftmenge, verwendet v.'ird, ergibt sich in der Hilfsbrennkammer eine hohe Flammfortpflanzungsgeschwindigkeit und ein stabiler Größenzuwachs der Flamme.

Wie eingangs erläutert, ergeben sich Fehlzündungen aufgrund der Tatsache, daß sich die Flamme nicht fortpflanzen kann. Die Möglichkeit der Flammfortpflanzung soli daher als erstes erläutert werden. Bei einer Verbrennungskraftmaschine, wie sie in Fig.2 dargestel!* ist läßt sich die Geschwindigkeit i/der durch den Verbindungskanal 28 während des Verdichtungstaktes in die Hilfsbrennl-ammer 27 einströmenden Gases wie folgt angeben:

wobei Up die Kolbengeschwindigkeit

C der Flußkoeffizient des Verbindungskanals

Vp das Volumen oer Hilfsbrennkammer

(D

Ft die Querschnittsfläche des Verbindungskanals
A die Querschnitts! lache der Zylinderbohrung und
V das Gesamtvolumen von Hauptbrennkammer und Hilfsbrennkammer bei einem bestimmten Kurbelwinkel sind.

Das Verhältnis Vp zu Ft liegt, wie zuvor erwähnt, zwischen 5 und 15 cmVcm². Aus der Gleichung (1) geht hervor» daß die Geschwindigkeit U des brennbaren Gemisches mit der Drehzahl der Maschine steigt« weil die Geschwindigkeit Up des Kolbens größer wird. Andererseits ist aus dem Buch »Combustion Flames and Explosions of Gasses« von Lewis & von Elbe bekannt, daß für die Fortpflanzung der Flamme ein Grenzwert gegeben ist der durch folgenden Zusammenhang angegeben ist:

u¹
T

Su-Cp-p

(2)

(3)

St?-p- Cp 1

(4)

IO

15

ijo die Dicke der Verbrennungswelle

Su die laminare Verbrennungsgeschwindigkeit

u' die Intensität der Turbulenz

J der Umfang (Gradation) der Turbulenz

Λ die Wärmeleitfähigkeit

Cp die spezifische Wärme und

ρ die Dichte der unverbrannten Gase ist

Durch Zusammenfassen der Gleichungen (2) und (3) ergibt sich:

20

25

3ö

Aus der Gleichung (4) ergibt sich, daß, wenn der Wert von K über 1 ansteigt, die Flamme sich nicht fortpflanzen kann, so daß sich Fehlzündungen ergeben. Aus der Gleichung(4) ergibt sich auch, daß zwischen der laminaren Verbrennungsgeschwindigkeit Su und dem Restgasverhältnis RGF der folgende Zusammenhang besteht:

Su = K₁ -

RGF

(5)

50

worin K\ eine Konstante ist

Aus der Gleichung (4) ergibt sich auch ein Zusammenhang jrvischen der Dichte der unverbrannten Gase ρ und dem Druck wie folgt:

Q = K₂-P (6)

worin Ki eine Konstante ist

Wenn das Restgasverhältnis RGF steigt dann wird die laminare Verbrennungsgeschwindigkeit Su nach der Gleichung (5) herabgesetzt Der Wert von K steigt eo gemäß Gleichung (4). Wenn das Restgasverhältnis RGF ansteigt dann kann sich die Flamme ebenfalls nicht fortpflanzen. Wenn zusätzlich der Druck /^herabgesetzt wird, dann reduziert sich auch die Dichte ρ der unverbrannten Gase gemäß Gleichung (6) und der Wert es von K steigt gemäß Gleichung (4) wiederum an. Auch bei Steigerung des Druckes P kann sich die Flamme nicht fortpflanzen. Wenn die Geschwindigkeit U des brennbaren Gemischs gemäß Gleichung (1) ansteigt, dann steigt auch die Intensität u' der Turbulenz gemäß Gleichung (4). Bei Erhöhung der Drehzahl der Verbrennungsmaschine nimmt die Intensität u' der Turbulenz zu. Hierdurch steigt wiederum der Wert von ATan, so daß sich die Flamme nicht fortpflanzen kann.

F i g. 3 zeigt das Restgasverhältnis, den Druck und die Temperatur des brennbaren Gemischs, die Geschwindigkeit des Wirbels und die Geschwindigkeit U des brennbaren Gemischs (s. Gleichung (I)) in der Hilfsbrennkammer 27 während des Verdichtungstaktes und zu einem Zeitpunkt, zu dem die Verbrennungskraftmaschine nach F ί g. 2 mit einer bestimmten Drehzahl läuft. In F i g. 3 zeigt die Abszisse den Kurbelwinkel Θ. In F i g. 3 bedeutet die Kurve R das Restgasverhältnis in Prozent in der Hilfsbrennkammer im Falle, daß keine zusätzliche Luft in das Abgassystem der Maschine eingeleitet wird, während die Kurve /?'das Restgasverhältnis in Prozent in der Hilfsbrennkammer 27 angibt, wenn der Maschine zusätzliche Luft in das Abgassystem gegeben wird. Die Kurve LJ steht für die Geschwindigkeit in m/sec der durch den Verbindungskanal 28 fließenden brennbaren Gase. Die Kurve «'steht für die Geschwindigkeit in m/sec des in der Hilfsbrennkammer 27 hervorgerufenen Wirbels. Mit der Kurve T ist die Temperatur in ⁰C des brennbaren Gemischs in der Hilfsbrennkammer 27 und mit der Kurve P der Druck in kg/cm² in aer Hilfsbrennkammer 27 angegeben. Wie F i g. 3 zeigt nimmt das Restgasverhältnis R in der Hilfsbr^nkammer 27 ab, wenn der Kolben den oberen Totpunkt erreicht. Wenn zusätzlich Luft in das Abgassystem der Maschine geleitet wird, dann wird aufgrund der Tatsache, daß ein Teil dieser Luft in die Hauptbrennkammer 24 aus den vorerwähnten Gründen rückgesaugt wird, das Restgasverhältnis in der Hauptbrennkammer 24 klein und als Foge davon wird auch das Restgasverhältnis R' in der Hilfsbrennkammer 27 kleiner als der entsprechende Wert R. wie aus F i g. 3 hervorgeht Zusätzlich nimmt die Geschwindigkeit U des durch den VerbindungskanaJ 28 strömenden Gasgemisches allmählich ab, bis der Kolben einen Punkt 30° vor dem oberen Totpunkt (BTDC 30") erreicht und dann wird die Geschwindigkeit U sehr schnell kleiner, wenn der Kolben nach diesem gewissen Punkt den oberen Totpunkt erreicht Andererseits nimmt die Geschwindigkeit u' des Wirbels in der Hilfsbrennkammer 27 allmählich ab, da die Inertialwirkung in den brennbaren Gasen nicht lange anhält nachdem der Kolben den Punkt BTDC 30° überschritten hat Die Temperatur T des brennbaren Gemischs in der Hilfsbrennkammer 27 und sein Druck P nehmen langsam ab, bis der Kolben etwa den Punkt BTDC 40° erreicht Sodann nehmen sie sehr schnell zu, wenn der Kolben den oberen Totpunkt erreicht Selbstverständlich nehmen die Geschwindigkeiten U und u' zu, wenn die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine erhöht wird.

F i g. 4 zeigt den Zusammenhang zwischen dem in der Hauptbrennkammer 24 herrschenden Restgasverhältnis und der Belastung der Maschine. In Fig.4 ist auf der Abszisse die Unterdruckgröße P (—mm Hg) in der Ansaugleitung der Maschine und auf der Ordinate das Restgasverhältnis Ro bzw. Äo'in der Hauptbrennkam-Rier 24 aufgetragen. Wie bereits erwähnt steht Ro für das Restgasverhältnis (⁰Zo) für den Fall, daß keine Zusatzluft in das Abgassystem des Motors eingeleitet wird, während Ro'für das Restgasverhättnis (%) steht welches sich ergibt wenn zusätzliche Luft in das

Abgassystem der Maschine geleitet wird. Aus Fig.4 geht hervor, daß die Restgasverhältnisse in der Hauptbrennkammer 24 mit der absoluten Größe des Unterdrucks P in der Ansaugleitung, d. h. mit fallender Maschinenbelastung, ansteigen. Das Restgasverhältnis R bzw. R' in der Hilfsbrennkammer 27, welches'in Fig.3 dargestellt ist, steigt somit bei fallender Maschinenbelastung ebenfalls an. Wie Fig.4 zeigt, ist das Restgasverhältnis Ro' geringer als Ro. Wenn die Maschine unter leichter Belastung arbeitet, d. h, wenn der Uiiivrdruck P relatiy .groß ist, dann ist auch der Unterdruck in; derHauptbrennkammer 24 während des Ansaugtaktes relativ groß, so daß siel« eine große Differenz zwischen dem im Auslaßkanal und dem in der Hauptbrennkammer herrschenden Druck ergibt Wenn zusätzliche Luft in den Auslaßkanai der Maschine eingeleitet wird, dann wird demzufolge ein großer Anteil dieser Luft in die Hauptbrennkammer 24 während der überlappenden Öffnungszeit der Ventile zurückgesaugt. Wenn die Maschine unter leichter Belastung arbeitet, dann steigt gegenüber den Bedingungen bei stark belasteter Maschine das Restgasverhältnis Äo'Ieicht an, wie F i g. 4 erkennen läßt

Wie unter Bezugnahme auf die Gleichungen (1) bis (6) erläutert wurde, wird mit fallendem Druck P in der Hilfsbrennkammer 27 die Flammfortpflanzung immer schwieriger. Gleiches gilt, wenn das Restgasverhältnis R in der Hilfsbrennkammer 27 ansteigt Je größer die Intensität u'der Turbulenz in der Hilfsbrennkammer 27 ist, d. h. je größer die Geschwindigkeit U der durch den Verbindungskanal 28 strömenden brennbaren Gase ist, um so schwieriger wird die Flammfortpflanzung. Wie unter Bezugnahme auf Fig.3 erläutert wurde, nimmt die Geschwindigkeit U mit der Drehzahl der Maschine zu. Wie schließlich unter Bezugnahme auf Fig.4 erläutert wurde, nimmt das Restgasverhältnis Ro bzw. Ro' mit fallender Maschinenbelastung zu. Zusammenfassend läßt sich somit sagen, daß die Flammfortpflanzung sehr schwierig wird, wenn die Maschine bei hoher Geschwindigkeit unter geringer oder gar keiner Belastung arbeitet

In Fig.3 ist mit A die Zeitdauer des Funkenüberschlages an der Zündkerze einer in übliche Art arbeitenden Verbrennungskraftmaschine angegeben, wenn diese bei hoher Drehzahl unter geringer oder gar keiner Belastung läuft Man sieht aus F i g. 3, daß diese Zeitdauer A am längsten im Bereich zwischen BTDC 40° und BTDC 25° ist Während dieses Zeitabschnitts ist das Restgasverhältnis R relativ groß und der Druck fin der Hilfsbrennkammer 27 relativ niedrig. Bei einer in üblicher Weise arbeitenden Maschine ist daher der Wert K, wie er in der Gleichung (2) angegeben ist, größer als 1 während dieses Zeitabschnittes. Selbst wenn ein brennbares Gasgemisch gezündet wurde, kann sich daher die Flamme nicht fortpflanzen, so daß Fehlzündungen die Folge sind. Um dies zu vermeiden, hat man zu einem Verzögern des Zündzeitpunktes der Maschine gegriffen, weil das Restgasverhältnis R geringer ist, wenn der Kolben den oberen Totpunkt erreicht und der Druck Pm der Hilfsbrennkammer dann ebenfalls größer ist Hierdurch sinkt der Wert von K unter 1. Diese Verzögerung des Zündzeitpunktes bis in den Bereich, in welchem der Kolben den oberen Totpunkt erreicht, bewirkt jedoch ein Ansteigen im Kraftstoffverbrauch. Dieser Zusammenhang wird unter Bezugnahme auf F i g. 5 erläutert

In Fig.5 ist auf der Abszisse der Unterdruck P (—mm Hg) in der Ansaugleitung der Maschine und auf der Ordinate der Zündzeitpunkt in Grad des Kurbelwinkels vor dem oberen Totpunkt aufgetragen. Die Kurven a bis e stehen jeweils für einen konstanten Kraftstoff' verbrauch von 220, 250, 300, 400 und 500 g Kraftstoff/ psh. Um den Kraftstoffverbrauch geringstmöglich zu halten, wird der Zündzeitpunkt gewöhnlich so eingestellt, wie es durch die Linie/in F ig; 5 eingezeichnet ist Wenn der Zündzeitpunkt gegenüber der Linie f beschleunigt oder Verzögert wird, dann steigt der Kraftstoffverbrauch an. Andererseits zeigt die Linie g ■ die oberen Grenzen von Zündzeitpunkt α und - Unterdruck P, bei welchen die Flamme sich noch ■■ fortpflanzen kann, d:h: den Grenzwert bei dessen

Überschreiten es zu Fehlzündungen kommt, wenn die Maschine mit niedriger Drehzahl läuft und die Zündzeitdauer so kurz ist, wie sie in F i g. 3 mit A eingezeichnet ist Die Linie h zeigt den Grenzwert an, ab welchem Fehlzündungen auftreten, wenn die Maschine mit hoher Drehzahl läuft Aus F i g. 5 ergibt sich somit daß bei konventionellem Zündverfahren und einer Einstellung des Zündzeitpunktes entsprechend der Linie / es zu Fehlzündungen kommt, wenn die Maschine mit hoher Drehzahl bei geringer Belastung läuft, d. h. wenn der Unterdruck P groß ist Um das Auftreten solcher Fehlzündungen zu vermeiden, kann der Zündzeitpunkt so eingestellt werden, daß er bei hohem Unterdruck P verzögert wird, wie durch die gestrichelte Linie / in F i g. 5 eingezeichnet ist Solch eine Verzögerung im Zündzeitpunkt bringt jedoch einen Anstieg im Kraftstoffverbrauch mit sich. Diese Art der Zündung ist daher nicht besonders vorteilhaft

Wie unter Bezugnahme auf Fig.3 erläutert wurde, erfolgt die Zündung bei schneilaufender Maschine üblicherweise in einem Zeitraum, der durch den Kurbelwinkelbereich A angegeben ist In der Praxis wird bei schnellaufender Maschine aufgrund der hohen Geschwindigkeit der durch den Verbindungskanal 28 strömenden Gase der Zündfunke von den Gasen bereits in seinem Entstehungsstadium ausgeblasen, ohne daß er für die Zeitdauer A aufrechterhalten bleibt Da der Zündfunke zu Beginn der Entladung durch eine sogenannte Kondensatorentladung, wiederum hervorgerufen von einem dielektrischen Durchbruch, erzeugt wird, hat der Zündfunke eine extrem hohe Energie und das brennbare Gemisch wird gewöhnlich durch diese Kondensatorentladung gezündet Selbst wenn der Zündfunke durch die hohe Gasgeschwindigkeit ausgeblasen wird, bleibt die Atmosphäre rings um die Elektroden der Zündkerze in einem Zustand, der es

so erlaubt. daS sich ein neuer Entladungsfunke ausbildet Diese neue Zündung wird durch die sogenannte induktive Entladung hervorgerufen. Der so entstandene Zündfunke hat jedoch nur eine relativ kleine Energie una ist daher nicht in der Lage, das brennbare Gasgemisch in geeigneter Weise zu zünden. Bei den üblichen Zündverfahren beträgt daher die Überschlagszeit praktisch nur ein Drittel der in Fig.3 mit A eingezeichneten Zeitdauer. Da sich eine Zündung, wie erwähnt, nur im Entstehungszeitpunkt des Zündfunkens ergibt, kann sich die Flamme nicht ausbreiten, was zu Fehlzündungen führt

Es wurde jedoch gefunden, daß, wenn man den Entladungsstrom auf 30 bis 50 mA steigert, was leicht größer als der übliche Wert ist, und wenn man die Entladungszeitdauer über das übliche Maß hinaus verlängert, man eine kleine induktive Entladung nach der kapazitiven Entladung erhält, und sich danach eine erneute kapazitive Entladung aufgrund dielektrischen

Durchbruchs einstellt. Sodann ergibt sich eine wiederholte kapazitive und geringe induktive Entladung. Wenn demnach, wie Fig.3 zeigt, die Entladungszeitdauer verlängert wird, wie es B zeigt, dann ergibt sich während dieser Zeitdauer eine intermittierende Entladung. Während der ersten Hälfte der Entladungszeitdauer sind das Restgasverhältnis R und die Geschwindigkeit U des brennbaren Gasgemischs hoch und der Druck P niedrig, wie Fi g. 3 zeigt, und die Flamme kann sich nicht fortpflanzen. Während der zweiten Hälfte der Entladungszeitdauer sind das Restgasverhältnis R und die Geschwindigkeit U jedoch niedrig und der Druck P hoch, so daß sich die Flamme fortpflanzen kann. Durch Verlängerung der Zündzeitdauer ergibt sich somit eine Unterdrückung von Fehlzündungen.

Es konnte gefunden werden, daß bei einem Verhältnis des Volumens der Hilfsbrennkammer 27 zur Querschnittsfläche des Verbindurigskanals 28 von der Größenordnung von 5 bis 15 cmVcm² bei einer Entladungszeit, die bis zu 10° vor dem oberen Totpunkt des Kolbens andauert, sich die Flamme auch bei Drehzahlen von 5000 U/min fortpflanzen kann. Bei einer so konstruierten Maschine muß wegen des Beginns des Zündzeitpunktes bei 40° vor dem oberen Totpunkt der für die Erzielung eines günstigen Kraftstoffverbrauchs eingehalten werden muß, die Entladungszeitdauer über den Kurbelwinkel 30° vor OT hinaus aufrechterhalten werden. Die Zeitdauer zwischen dem Kurbelwinkel 30° vor OT und dem OT-Zeitpunkt beträgt bei 5000 U/min ungefähr 1 msec. Wenn daher die Entladungszeitdauer um 1 msec gegenüber dem üblichen Maß verlängert wird, erzielt man eine vollständige Unterdrückung von Fehlzündungen bei schneilaufender, unbelasteter Maschine.

Wenn zusätzliche Luft in das Abgassystem der Maschine eingeleitet wird, dann ist das Restgasverhältnis in der Hauptbrennkammer 24 herabgesetzt, so daß auch das Restgasverhältnis in der Hilfsbrennkammer 27 geringer ist. In diesem Falle kann sich die Flamme noch leichter fortpflanzen, so daß die Wahrscheinlichkeit von Fehlzündungen noch weiter herabgesetzt ist

Zündanlagen, die bei Entladungsströmen von 30 bis 5OmA genügend lange Entladungszeiten der oben beschriebenen Art zulassen, sind beispielsweise in der US-PS 36 05 713 beschrieben.
Bei der in F i». 6 dargestellten Verbrennungskraftmaschine ist zusätzlich zum Verbindungskanal 28 ein weiterer Verbindungskanal 32 zwischen der Hauptbrennkammer 34 und der Hilfsbrennkammer 27 angeordnet Dieser zusätzliche Verbindungskanal 32 ist so angeordnet, daß er die Wirbelbewegung in der Hilfsbrennkammer 27 noch unterstützt Bei dieser Maschine wird somit selbst bei niedriger Drehzahl ein kräftiger Wirbel in der Hilfsbrennkammer 27 erzeugt. 'Selbst wenn ein mageres Luft-Kraftstoffgemisch,dessen Verhältnis 18:1 oder mehr beträgt oder weiches einen

fs hohen Anteil rezirkulierter Abgase, beispielsweise von mehr 10%, bezogen auf die dem Zylinder zugeführte Luftmenge, aufweist erhält man eine hohe Verbrennungsgeschwindigkeit und als Folge davon eine stabile Verbrennung. Die Querschnittsflächen der Verbindungskanäle 28 und 32 sind so abgestimmt daß -ic proportional zu den Volumina der brennbaren Gasmischung sind, die von den durch sie strömenden Flammstrahlen gezündet werden. Zusätzlich sind die Verbindungskanäle 28 und 32 so gerichtet daß der aus dem Verbindungskanal 28 in die Hauptbrennkammer sich ergießende Flammstrahl in eine andere Richtung zeigt als der aus dem Verbindungskanal 32 schießende Flammstrahl. Es ergibt sich somit eine ziemlich vollständige Erfassung der Hauptbrennkammer 24 durch Flammstrahlen und eine Steigerung der Verbrennungsgeschwindigkeit in der Hauptbrennkammer 24. Auch hier muß die Zündzeitdauer die angegebene Länge haben.
In Fig. 1 ist ein AbgasrezirkuHerungssystem nicht dargestellt. Es sei betont daß eine Maschine, die mit Abgasrezirkulierung arbeitet entsprechende zusätzliche, vom Abgassystem zum Ansaugsystem führende Leitungsverbindungen aufweisen muß.
Durch die Erfindung vermeidet man die Notwendigkeil eines zusätzlichen, belastungsabhängigen Verzögerungssystems für die Zündzeitpunkteinstellung, was ein sehr wesentlicher Vorteil ist

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zum Zünden eines brennbaren Gemisches in einer Verbrennungskraftmaschine nach dem Vergaserprinzip, weiche eine Hauptbrennkammer, eine Hilfsbrennkammer, wenigstens einen beide Brennkammern verbindenden Kanal, der so angeordnet ist, daß er in der Hilfsbrennkamnier während des Verdichtungstaktes einen Gaswirbel hervorruft, eine im Verbindungskanal angeordnete Zündkerze und je einen in die Hauptbrennkammer mündenden Einlaßkanal und Auslaßkanal aufweist, und bei welcher das Verhältnis von Volumen der Hilfsbrennkammer zu Querschnittsfläche des Verbindungskanals im Bereich zwischen 5 und 15cm³/cm²liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladung an der Zündkerze bei einem Kurbelwinkel von 40° vor OT-Stellung des Kolbens beginnt und bis zum Erreichen eines Kurbelwinkels von etwa 10° vor OT-Steiiung des Kolbens aufrechterhalten wird, und daß in der Beginnphcse des Ansaugt&i tes über das noch offene Auslaßventil Zusatzluft aus dem Abgasleitungssystem in die Brennkammer eingeführt v/ird.