DE2746596C2

DE2746596C2 - Fremdgezündete Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2746596C2
Application number: DE2746596A
Authority: DE
Inventors: Walter 7000 Stuttgart Benedikt; Dieter Dipl.-Ing. Scherenberg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1977-10-15
Filing date: 1977-10-15
Publication date: 1986-07-03
Also published as: DE2746596A1; JPS6125892B2; US4242990A; JPS5467111A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Brennkraftmaschine nach der Gattung des Hauptanspruchs. Eine solche bekannte Brennkraftmaschine, die pro Zylinder einen Hauptbrennraum und eine mit diesem verbundene Zündkammer besitzt, hat den Nachteil, daß der in der Zündkammer befindliche Ladungsteil, der nach der Zündung als Flammstrahl in die Hauptbrennkammer austritt, am stärksten aufgeheizt ist und durch die weitere Kompression noch weiter aufgeheizt wird, wenn der Rest der Ladung im Hauptbrennraum verbrennt. In bekannter Weise tritt die NÖ_T-Bildung insbesondere in den stark erhitzten Ladungsteilen auf. Je größer diese Ladungsmenge ist und je höher die Temperatur ist, um so höher wird die NO_x-Emission in der insgesamt verbrannten Ladung. Eine derartige durch die GB-PS 26 218 bekannte Zündkammer hat zusätzlich ein Frischiuftansaugventil, durch das hindurch während des Ansaugtaktes Frischluft in die Zündkammer eingeleitet wird. Hierdurch werden verbrannte Gase aus der Zündkammer gespült, so daß danach einem aus dem Hauptbrennraum in die Zündkammer geschobenen Gemisch mehr Sauerstoff zur Verfügung steht mit der Folge, daß aufgabengemäß die Flammenstrahlentwicklung verstärkt wird. Diese Verstärkung hat erhöhte Temperaturen zur Folge, so daß die Brennkraftmaschine größere NOx-Mengen emittiert

Eine durch die FR-PS 13 06 321 bekannte Brennkraftmaschine hat ebenfalls wenigstens einen Hauptbrennraum und eine zugeordnete Zündkammer, die einen zum Hauptbrennraum führenden Überströmkanal und eine eingeschraubte Zündkerze sowie zusätzlich eine Brennstoffeinspritzdüse besitzt. Zum Betrieb der Brennkraftmaschine benötigter Brennstoff wird in die Zündkammer eingespritzt Der Überströmkanal ist nach Art einer Venturidüse gestaltet In den Überströmkanal münden Ansaugkanäle, die vom Innern der Zündkammer im Bereich von deren Boden ausgehen. Wenn bei Verdichtungshüben Luft durch den Überströmkanal strömt so saugt sich diese Luft aufgrund des Gesetzes von Bernoulli durch die Ansaugkanäle hindurch aus der Zündkammer Brennstoff an, der beim Austritt aus den Ansaugkanälen zerstäubt und mit der durch den Überströmkanal strömenden Luft vermischt und in die Zündkammer hineingewirbelt wird. Das dadurch entstehende Gemisch verteilt ~töx in der Zündkammer, wobei Teilmengen zu den Aiisaugkanälen gelangen und durch diese hindurch angesaugt und schließlich durch den Oberströmkanal hindurch in die Zündkammer zurückgefördert werden. In der Zündkammer herrschen also Turbulenzen, die nach der Zündung des Gemisches eine schnelle Flammenausbreitung und dementsprechend schnelle Druckanstiege und hohe Temperaturen in der Zündkammer bewirken. Infolge der Turbulenzen und der Druckanstiege wird brennend heißes Gemisch in die Ansaugkanäle und den Oberströmkanal gedrückt und tritt aus dem letzteren als ein Flammenstrahl in Richtung des Hauptbrennraums aus. Die hohen Temperaturanstiege bewirken wiederum große ΝΟ,-Mengen. Weil

sich der Überströmkanal in Richtung des Hauptbrennraums diffusorartig erweitert, wird die Geschwindigkeit des Flammenstrahls nachteilig verkleinert Die Zündkammer ist im wesentlichen rotationssymmetrisch und im Bereich ihres Bodens als ein Ringraum ausgebildet,

zu dem der Überströmkanal im wesentlichen koaxial ausgerichtet ist. Die Ansaugkanäle verlaufen quer zur Längsachse dieses Ringraums.

Durch die DD-PS"13 215 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, die zusätzlich zu einer über einen Überströmkanal mit einem Hauptbrennraum verbundenen Zündkammer eine Leerlaufnebenkammer und eine Lastnebenkammer aufweist. Der Überströmkanal ist ebenfalls nach Art einer Venturidüse gestaltet, und es ist ihm ein Ansaugkanai zugeordnet, der in Strömungsrichtung zur

Zündkammer hinter der engsten Stelle des Überströmkanals mündet und an die tiefste Stelle der Leerlaufnebenkammer angeschlossen ist. In die Leerlaufnebenkammer wird diejenige Brennstoffmenge gefüllt, die für Leerlaufverbrennungstakte benötigt wird. Ein Belüftungskanal, der von dem Hauptbrennraum ausgeht, mündet oben in die Leerlaufnebenkammer ein. Während eines Verdichtungstakts drückt Verdichtungsdruck den Brennstoff in den Ansaugkanal. Gleichzeitig wirkt infolge von Durchströmung des Überströmkanals mit Luft in Richtung der Zündkammer ein Sog auf den Brennstoff, so daß dieser aus dem Ansaugkanal austritt und in die Zündkammer hineingewirbelt und dabei zerstäubt wird zur Bildung von Leerlaufgemisch. Durch

elektrische Zündung dieses Leerlaufgemisches füllt sich die Zündkammer mit Flammen, die direkt durch den Oberströmkanal und auch einen Umweg durch die Leerlaufnebenkammer als Flammenstrahlen in den Hauptbrennraum gelangen. Dabei gelangt die Hauptmenge des brennenden Gemisches auf direktem Weg und mit sehr hoher Temperatur in den Hauptbrennraum, so daß die NO_x-Emissionen dieser Brennkraftmaschine nachteilig hoch sind. Im Lastbetrieb wird lediglich eine Teilmenge des in der Zündkammer entzündeten Gemisches in die Lastnebenkammer abgezweigt, um dort eingelagerten Brennstoff in den Hauptbrennraum zu drücken. Deshalb emittiert diese Brennkraftmaschine auch im Lastbetrieb unerwünscht große Mengen von NOj.

Es stellte sich die Aufgabe, zur Verminderung der Belastung der Umwelt eine Brennkraftmaschine so zu verbessern, daß sie wesentlich weniger NO_x emittiert.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß durch das Ansaugen von aus brennbarem Gemisch bestehenden kühlen Ladungsteilen des Hauptbrennraums und die frühzeitige Durchmischung dieser Ladungsteile mit dem heißen Flammenstrahl die Temperatur von aus der Zündkammer kommenden Ladungsteilen frühzeitig abgesenkt und damit die NO_x-Konzentration verringert wird.

Dadurch, daß vorwiegend das nahe der gekühlten Brennraumwände befindliche, kohlenwasserstoffreiche Gemisch der Ladung im Hauptbrennraum angesaugt wird, kommt es zu einer weiteren Absenkung der NO*- Emission, da die Kohlenwasserstoffe bei Abwesenheit von Sauerstoff eine reduzierende Wirkung auf bereits gebildete ΝΟ,-BestandteiIe haben.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich. Die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 2 haben den Vorteil, daß kühle Ladungsteile aus dem Hauptbrennraum intensiv mit dem heißen Flammenstrahl vermischt werden, wodurch die ΝΟ,-Emission beträchtlich verringert wird.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. "

Beschreibung der Erfindung

In der Zeichnung ist ein Schnitt durch einen Zylinder einer Brennkraftmaschine wiedergegeben. In dem Zylinderblock 1 befinden sich Zylinderbohrungen 2, von denen ein Teil einer Zylinderbohrung geschnitten wiedergegeben ist. In der Zylinderbohrung ist ein Kolben 3 angeordnet, der in bekannter Weise in der Zylinderbohrung 2 verschiebbar ist und zusammen mit einem die Zylinderbohrung 2 abschließenden Zylinderkopf 5 einen Hauptbrennraum 6 einschließt. Der Hauptbrennraum wird über eine Saugleitung 7 mit Betriebsgemisch versorgt. Der Eintritt der Frischladung von Saugleitung 7 in den Hauptbrennraum 6 wird durch ein Einlaßventil 8 gesteuert. In üblicher V/eise sind die an den Hauptbrennraum und an die Zylinderbohrung anschließenden Teile von Zylinderkopf und Zylinderblock gekühlt, was im vorliegenden Falle durch mit Kühlflüssigkeit gefüllte Hohlräume 10 erfolgt

Der im wesentlichen nicht unterteilte Hauptbrennraum 6 weist einen zylindrischen Teil 12 auf, der unmittelbar von den Hohlräumen 10 umgeben ist und in den der Mündungsteil 14 einer Zündkammer 15 ragt. Der zylindrische Teil 12 bildet mit dem Mündungstei! 14 einen Ringspalt 22. Die Zündkammer 15 weist eine rotationssymmetrische Form auf und befindet sich in einem ίο dicht in den Zylinderkopf eingeschraubten Einsatz 16. Mit der Achse der Zündkammer 15 fluchtend ist in den Einsatz 16 eine Zündkerze 17 eingeschraubt, deren Elektroden in die Zündkammer ragen. Genau gegenüber weist der Mündungsteil einen düsenartig ausgebildeten Teil 18 auf, der einen koaxial zur Zündkerzenachse verlaufenden in den Hauptbrennraum führenden Überströmkanal 19 aufweist Der Düsenteil ist brennraumseitig von einem mit dem Einsatz 16 fest verbundenen Mantel 20 umgeben, der mit dem Düsenteil 18 einen Ringspalt 21 bildet, der einerseits tangential in den Überströmkanal 19 mündet und andererseits über Ansaugkanäle bildende radiale Durchbrüche 23 mit dem Ringspalt 22 verbunden ist.
Die Einrichtung arbeitet wie folgt: Nachdem während des A/.saughubs des Kolbens 3 über die Saugleitung 7 und das geöffnete Einlaßventil 8 der Hauptbrennraum mit einem Gemisch aus Kraftstoff und Luft geladen wurde, wird in üblicher Weise nach dem Schließen des Einlaßventils beim Aufwärtshub des Kolbens 3 das Gemisch bis auf das kleinste verbleibende Volumen des Hauptbrennraums 6 komprimiert Dabei strömt ein Teil der Ladung über den Überströmkanal 19 auch in die Zündkammer 15 ein. Sobald, kurz bevor der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht hat, das in der Zündkammer befindliche Gemisch durch einen Funken der Zündkerze gezündet ist, erfolgt dort eine rasche Umsetzung des Kraftstoffs mit der vorhandenen Luft und ein Ausstoßen des sich entzündenden Gemisches in Form eines Flammstrahls durch den Überströmkanal 19 in den Hauptbrennraum. Dort kommt es zur Entzündung der übrigen Gemischbestandteile (der dort eingebrachten Gemischladung).

Insoweit entspricht die Funktionsweise derjenigen einer vorbekannten Zündkammer. Beka»interweise kann mit einer solchen Zündkammer auch ein stärker abgemagertes Betriebsgemisch sicher gezündet und eine gleichmäßige nachfolgende Verbrennung erzielt werden. Die Zündung des an sich sehr mageren Gemischs wird durch die hohe Turbulenz des in die Zündkammer eintretenden Gemisches begünstigt und die nachfolgende Entzündung der übrigen Ladung dadurch begünstigt, daß der austretende Flammstrahl wiederum auch im Hauptbrennraum eine hohe Turbulenz und schnelle Durchmischung bewirkt. Damit wird auch eine scimelle Umsetzung des gesamten eingebrachten Gemisches erzielt.

Gemäß der erfindungsgemäßen Ausgestaltung mündet tangential ir· den Flammstrahl der Ringspalt 21. Durch Injektorwirkung wird über den Ringspalt und die Durchbrüche 23 ein Teil der in Ringspalt 22 und in der Hauptbrennkammer 6 befindlichen Ladung mitgesaugt und intensiv mit den Gasen des Flammstrahls vermischt. Bei dem angesaugten Gemisch handelt es sich um ein mit Kohlenwasserstoff angereichertes Gemisch, das sich in der Nähe der gekühlten Brennraumwände des Zylinderkopfes im zylindrischen Teil 12 des Hauptbrennraumes befindet. Auch durch den Eintrittswinkel der Saugleitung 7 bzw. die Lage der Zündkammer wird die An-

Sammlung von kraftstoffreichen Gemischteüen an dieser Stelle begünstigt.

Die Vermischung des heißen Flammstrahls mit dem angesaugten kühleren, HC-reichen Frischgemisch führt zu einer Temperaturabsenkung des Flammstrahls und s damit derjenigen Gemischanteile, die die höchste NO,-Konzentration enthalten. Das in der Nähe der Zündkerze zuerst gezündete Gemisch erreicht nämlich frühzeitig eine hohe Temperatur, die durch die weitere Kompression während der Umsetzung der restlichen Ladungsbestandteile noch weiter erhöht wird. Die stark erhitzten Bestandteile des umgesetzten Betriebsgemisches besitzen einen hohen ΝΟ,-Anteil, der um so höher ist, je höher die maximale Verbrennungstemperatur ist. Durch die Beimischung von kühleren kohlenwasser- is stoffreichen Gemischanteilen zum Flammstrahl wird die Spitzentemperatur gesenkt. Weiterhin wird bei Sauerstoffmangel der reduzierende Effekt der Kohlenwasserstoffe auf die ΝΟ,-Bestandteile ausgenutzt und damit eine Absenkung der Stickoxid- Emission erzielt

Der austretende Flammstrahl führt ferner zu einer hohen turbulenten Ladungsbewegung und zu einer schnellen Umsetzung des gesamten eingebrachten Betriebsgemischs. Daraus ergeben sich im Vergleich zu üblichen Zündkerzenanordnungen im Hauptbrennraum bei gleichen Betriebsbedingungen geringere Kraftstoffverbräuche. Wenn man den Kraftstoffverbrauch gleich hoch halten kann, so ist es bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung möglich, den Zündzeitpunkt näher an den oberen Totpunkt heranzulegen. Diese Maßnahme wirkt sich bekanntermaßen wiederum so aus, daß die NO,- und die Kohlenwasserstoff-Emission gesenkt wird.

Wenn die Ringspalte 21 und 22 sehr schmal gehalten werden, nämlich kleiner als 0,2 mm, so wird mit Sicherheit (bei absinkender Ausströmgeschwindigkeit des Flammstrahls) das Eintreten der Flammenfront in die Ringspalte vermieden. Damit wird insbesondere der Ringspalt 22 als kohlenwasserstoffreiche, kühle Zone begünstigt und zusätzlich eine Überhitzung des Mündungjteiles 14 vermieden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Fremdgezündete Brennkraftmaschine mit je einem Hauptbrennraum pro Zylinder und mit einer dem Hauptbrennraum zugeordneten Zündkammer, in die eine Zündkerze eingesetzt ist zum Zünden eines brennbaren Gemisches, das den gleichen Brennstoff enthält wie derjenige, der in dem Hauptbrennraum zu verbrennen ist, mit einem den Hauptbrennraum mit der Zündkammer verbindenden Oberströmkanal mit düsenartig verengtem Querschnitt, über den die Zündkammer aus dem Hauptbrennraum mit Kraftstoffgemisch versorgbar ist und über den in der Zündkammer entflammtes Kraftstoffgemisch in den Hauptbrennraum ausströmen kann, sowie mit einem die Zündkammer und den Oberströmkanal aufnehmenden Gehäuse, dessen den Obers& ömkanal enthaltender Mündungsteil in den Haupfbrennraum ragt und dort zusätzliche Kanäle aufweist, deren Öffnungen sich an der Umfangswanddes Mündungsteils befinden, dadurch gekennzeichnet, daß das Mündungsteil (14) von gut gekühlten Brennraumwänden radial umgeben ist, daß die Kanäle (23) von den Öffnungen zu dem Oberströmkanal (19) führen und in oder stromabwärts wenigstens des engsten Querschnitts des Überströmkanals (19), bezogen auf den Überströmvorgang von der Zündkammer (15) in den Hauptbrennraum (S), in den Überströmkanal einmünden (in der Art einer Strahlpumpe).

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (23) tangential in Ausströmrichtung zum Überströmkanal (19) einmünden.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Öffnungen kommenden Kanäle (23) in einen den Überströmkanal (19) umgebenden Ringspalt (21) im Mündungsteil (14) einmünden und dieser Ringspalt (21) sowie der als Ringspalt (22) ausgeführte, den Mündungsteil (14) umgebende Hauptbrennraumteil eine Spaltbreite haben, die kleiner als 0,2 mm ist.