DE2837233C2

DE2837233C2 - Brennkraftmaschine mit geteilter Vorbrennkammer

Info

Publication number: DE2837233C2
Application number: DE2837233A
Authority: DE
Inventors: Isao Hasuda Saitama Fujii; Hiroshi Tokorozawa Saitama Kogure; Shizuo Asaka Saitama Yagi
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1978-03-27
Filing date: 1978-08-25
Publication date: 1982-07-22
Also published as: GB2017206B; DE2837233A1; FR2421275B1; GB2017206A; FR2421275A1; US4161927A; JPS54126805A

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei Brennkraftmaschinen dieser Art (siehe z. B. GB-PS 14 54 483) besteht ein Problem hauptsächlich darin, einen Betrieb auf der angereicherten Seite des Abmagerungsbereichs zu ermöglichen, so daß der Anteil NO, in den Abgasen verringert und der Kraftstoffverbrauch und damit die von der Brennkraftmaschine abgegebene Leistung verbessert wird. Diese Verbesserungen sollen innerhalb des gesamten Bereichs der Maschinenbelastung ohne Vergrößerung der Anteile CO und HC in den Abgasen erreicht werden. Wird eine solche Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug verwendet, so ergibt sich dadurch eine Verbesserung des Antriebs.

Für Brennkraftmaschinen wird schon seit langem ein geringerer Kraftstoffverbrauch gefordert. Deshalb sollte auch bei Verringerung der schädlichen Bestandteile in den Abgasen auf vorgegebene Höchstwerte ein geringer Kraftstoffverbrauch beibehalten werden.

Für eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird ein insgesamt abgemagertes Kraftstoff-Luftgemisch angestrebt, da hierdurch nicht nur eine Verringerung der Anteile NO, in den Abgasen, sondern auch eine Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs erzielt wird. Es ist jedoch bei den bisherigen Brennkraftmaschinen sehr schwierig, ohne katalytische Umsetzer die schädlichen Bestandteile in den Abgasen zu verringern und gleichzeitig den Kraftstoffverbrauch zu verbessern.

Für Brennkraftmaschinen, die mit geschichteter Ladung arbeiten, soll bekanntlich das gesamte Kraftstoff-Luftverhältnis magerer als der Stöchiometrische Wert sein, um eine Verringerung der Anteile CO, HC und NO_x in den Abgasen zu erreichen. Wenn die Brennkraftmaschine jedoch innerhalb eines großen

ίο Belastungsbereichs betrieben wird, so ergibt sich ein Grenzwert für die Abmagerung des Gesamt-Kraftstoff-Luftverhältnisses. Während relativ geringer Belastung führt ein zu abgemagertes Gemisch zu erhöhten Anteilen Co und HC. Bei relativ starker Belastung führt

ein zu stark abgemagertes Gemisch zur Verschlechterung des Antriebs eines Kraftfahrzeugs.

Um den Anteil NO₁ in den Abgasen zu verringern und gleichzeitig den spezifischen Kraftstoffverbrauch zu verbessern, wurde der Verbrennungsvorgang in der

Brennkrammer für jeden Belastungsbereich einer Brennkraftmaschine mit Flammkanal studiert Es zeigte sich, daß die folgenden Verbesserungen im Zusammenhang mit der Ausbildung der durch den Flammkanal zur Zündung des abgemagerten Gemischs in der Haupt-

brennkammer erzeugten Ramme möglich sind.

Die prozentualen Anteile CO, HC und NO₁ in den Abgasen verändern sich wesentlich mit der Belastung. Die Erzeugung von HC ist stärker bei schwächer werdender Belastung und geringer mit zunehmender Belastung, während die Erzeugung von NO_x geringer bei schwachen Belastungen und höher bei schweren Belastungen ist. Deshalb sollte im Bereich geringer Maschinenbelastung die Verringerung von HC an erster Stelle stehen, während im Bereich schwerer Maschinenbelastung die Verringerung von NO_x den Vorrang haben sollte.

Um die Zunahme von CO und HC in den Abgasen bei geringer Maschinenbelastung und bei abgemagertem Gesamt-Kraftstoff-Luftverhältnis zx verhindern, können beispielsweise mehrere Flammkanäle vorgesehen sein, die die Verbrennung durch Erzeugung mehrerer Flammen verbessern. Dies ergibt jedoch eine Zunahme der Verbrennungsgeschwindigkeit im Bereich schwerer Maschinenbelastung, wodurch die Abgabe von NO_x zunimmt. Im Bereich schwerer Maschinenbelastung sollte jedoch andererseits zur Vermeidung einer Zunahme des Anteils NO_x die Zündflamme hauptsächlich in den mittleren Bereich der Hauptbrennkammer gerichtet werden. Dies führt jedoch zu einer Zunahme von CO und HC bei geringer Maschinenbelastung.

Unter Berücksichtigung dieses Zusammenhangs der Maschinenbelastung und der schädlichen Anteile in den Abgasen zeigte sich, daß

l. im Bereich geringer Maschinenbelastung die Zündflammen in den mittleren Bereich der Hauptbrennkammer und in den Bereich der Zylinderwände geleitet werden sollten und

2. im Bereich schwerer Maschinenbelastung eine

so Zündflamme hauptsächlich auf den mittleren Bereich der Hauptbrennkammer ausgerichtet werden sollte.

Während geringer Maschinenbelastung ist der volumetrische Wirkungsgrad klein und der prozentuale Anteil von Restgas in dem Gemisch im Zylinder hoch.

Die Turbulenz des Gemischs in der Hauptbrennkammer ist schwächer als bei schwerer Maschinenbelastung, so

da3 die Verbrennung zur Instabilität neigt Um eine stabilere Verbrennung zu erreichen und damit die Anteile CO und HC in den Abgasen zu verringern und gleichzeitig den spezifischen Kraftstoffverbrauch zu verbessern, ist es wichtig, daß mehrere Flammöffnungen vorgesehen sind. Gleichzeitig ist eine Zeitdifferenz in der zeitlichen Steuerung der in zwei Richtungen an zwei unterschiedlichen Stellen verlaufenden Zündflammen erforderlich, um den Anteil NO_x zu verringern.

Andererseits ist bei schwerer Maschtnenbelastung der volumetrische Wirkungsgrad hoch, und die Turbulenz des Gemischs in der Hauptbrennkammer ist größer als bei geringer Maschinenbelastung, so daß zur Minimierung der Zunahme von NO_x eine unzweckmäßige Beschleunigung der Verbrennung verhindert werden sollte. Dies' kann dadurch erreicht werden, daß die Zündflamme hauptsächlich in den mittleren Bereich der Hauptbrennkammer gerichtet wird. Auf diese Weise kann der Anteil NO, im Bereich großer Maschinenbelastung verringert werden. .

Es ist Aufgabe der Erfindung, bei einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bei unterschiedlichsten Belastungen eine möglichst gleichbleibende Sauberkeit der Abgase von luftverschmutzenden Anteilen zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Eine nach der Erfindung aufgebaute Brennkraftmaschine kann mit verringertem Anteil NO_x auch dann arbeiten, wenn das Gesamt-Kraftstoff-Luftverhältnis magerer als der stöchiometrische Wert ist. Hierbei werden die Anteile CO und HC nicht vergrößert.

Eine Brennkraftmaschine nach der Erfindung hat gegenüber bisherigen Brennkraftmaschinen den Vorteil, daß der Anteil NO_x in den Abgasen verringert und der spezifische Kraftstoffverbrauch verbessert ist. Ferner ist es bei einem maximal zulässigen Anteil NO_x entsprechend den bisherigen Brennkraftmaschinen durch die Erfindung iT.Jiglich, das Kraftstoff-Luftverhältnis auf die angereicherte Seite des abgemagerten Bereichs zu legen, wodurch sich der Antrieb eines Kraftfahrzeugs verbessern läßt. Diese Vorteile sind, wie die folgende Beschreibung zeigt, in einem großen Belastungsbereich realisierbar.

Ausführungsbeispiele werden im folgenden anhand der Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 die Schnittansicht einer Brennkraftmaschine entsprechend dem in F i g. 2 gezeigten Schnitt 1 — 1,

Fig. 2 den Schnitt 2-2 aas F ig. I und

Fig.3 die Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels.

In F i g. 1 und 2 ist ein Zylinderkopf 14 für einen oder mehrere Zylinder einer Brennkraftmaschine dargestellt, die jeweils einen nicht dargestellten Kolben enthalten. Die obere Fläche des Kolbens begrenzt eine Hauptbrennkammer 13, deren übrige Wände durch den Zylinderkopf 14 gebildet sind. Ein Hauptensaugventil 15 steuert die Zuführung eines relativ abgemagerten Kraftstoff-Luftgemischs in die Hauptbrennkammer 13. Eine Vorbrennkammer 17 ist im Zylinderkopf 14 ausgebildet und in eine Primärkammer 18 und eine Sekundärkammer 20 durch den Boden 16 eines Einsatzes 12 unterteilt. Die Primärkammer 20 stehen über eine Öffnung 21 in dem Boden 16 in Verbindung. ft5 Ein Hilfsansaugventil 8 steuert die Zuführung von Frischluft aus einem Hilfsansaugkanal 9 in die Primärkammer 18. Die Menge der bei jedem Zyklus eingeführten Frischluft ist bei schwerer Maschinenbelastung kleiner als bei leichter Maschinenbelastung. Eine intermittierend arbeitende Einspritzvorrichtung 22 wird durch eine Steuerung 23 üblicher Art betätigt und fuhrt Kraftstoff aus einem Behälter 11 zu. Die Einspritzvorrichtung 22 steht mit der Primärkammer 18 über eine Öffnung 27 in der Wand des Einsatzes 12 in Verbindung. Die Elektroden einer Zündkerze 24 sind mit der Primärkammer 18 über eine Öffnung 25 verbunden.

Ein Austrittsventil 26 dient zur Steuerung des Austritts der Abgase aus jeder Hauptbrennkammer 13. Das Hauptansaugventil 15, das Hilfsansaugventil 8 und das Austrittsventil 26 werden in zeitlicher Folge mit einem nicht dargestellten Mechanismus bekannter Art betätigt

Ein Primärflammkanal 29 ist an die Primärkammer 18 angeschlossen, und sein anderes Ende 30 ist so angeordnet, daß seine Flamme in den mittleren Bereich der Hauptbrennkammer 13 geleitet wird. Wenn die Zündkerze 24 das Gemisch in der "rimärkammer 18 zündet, so wird eine Zündflamme durch den relativ langen Primärkanal 29 zur Hauptbrennkammer 13 geleitet Die Zündung des Gemischs in der Primärkammer 18 leitet eine Flamme durch die Öffnung 2i in die Sekundärkammer 20 und dann durch einen relativ kurzen Sekundärflammkanal 31 in einen Randbereich der Hauptbrennkammer 13.

Bei leichter Maschinenbelastung wird während des Ansaughubs der Maschine ein reiat'v abgemagertes Gemisch durch das Ansaugventil 15 der Hauptbrennkammer 13 zugeführt Die Einspritzvorrichtung 22 führt Kraftstoff in die Primärkammer 18 ein, der durch die Öffnung 21 in die Sekundärkammer 20 gelangt und dort ein angereichertes Gemisch erzeugt. Gleichzeitig gelangt Frischluft in die Kammern 18 und 20 durch den Hilfsansaugkana! 9 und das Hilfsansaugventil 8, wodurch die beiden Kammern 18 und 20 durchströmt werden. Dadurch werden beide Kammern 18 und 20 mit einer frischen Ladung angereicherten Gemischs gefüllt. Die Menge der Frischluft ist bei geringer Maschinenbelas-'ing größer als bei hoher Maschinenbelastung.

Während des folgenden Kompressionshubes der Maschine strömt das abgemagerte Gemisch in der Hauptbrennkammer 13 zurück durch die Flammkanäle 29 und 31 in beide Kammern 18 und 20 u.id verdünnt das dort jeweils vorhandene Gemisch. Deshalb haben beide Gemische in den beiden Kammern 18 und 20 unmittelbar vor der Zündung übereinstimmendes Kraftstoff-Luftverhältnis und sind zur Zündung geeignet. Bei der Zündung mit der Zündkerze 24 werden Zündflammen durch die Flammkanäle 29 und 31 in die Hauptbrennkammer 13 geleitet um dort das relativ abgemagerte Gemisch zu verbrennen. Die Verbrennung beginnt zunächst am Austritt des kurzen Flammkanals 31 und später am Austritt des längeren Flammkanals 29.

Die sekundäre Zündflamme, die frühe^r als die primäre Zündflamme beginnt wird durch den Sekundärflammkanal 31 im Bereich der Zylinderwand so geführt, daß das Gemisch im r.andbereich der Hauptbrennkammer 13 verbrannt wird. Die primäre Zündflamme, die durch den Primärflammkanal 29 geführt und ungefähr auf die Mitte der Hauptbrennkammer 13 ausgerichtet wird, verbrennt das relativ abgemagerte Gemisch in der Hauptbrennkammer 13 zunächst in deren mittlerem Bereich und danach in deren Randbereich. Diese Doppelverbrennung unterstützt auch die Verbrennung von Restgas, das anderenfalls nicht vollständig verbrannt würde, durch die Wirkung des Flammkanals 29

und verringert den Spitzendruck und die Spitzentemperatur der Verbrennung. Dadurch wird die Abgabe von NO, verringert, ohne daß die Anteile CO und HC erhöht werden, die bereits auf niedrige Werte gebracht sind.

Bei Maschinenbetrieb unter hoher Belastung wird beim Ansaughub relativ abgemagertes Gemisch der Hauptbrennkammer 13 zugeführt, und die Einspritzvorrichtung 22 führt Kraftstoff in die Primärkammer 18 ein, um ein angereichertes Gemisch zu erzeugen. Obwohl die Menge der Frischluft in der Vorbrennkammer 17 im Falle hoher Maschinenbelastung geringer eingestellt ist als bei kleiner Maschinenbelastung, wird die Primärkammer 18 stark durchströmt, wie es bei kleiner Maschinenb'elastung der Fall ist, und mit einer frischen Ladung angereicherten Gemischs gefüllt. Die Sekundärkammer 20 wird jedoch nicht so stark durchströmt, da eine relativ kleine Menge Frischluft zugeführt wird und der Strömungswiderstand der Verbindungsöffnung 21 nur ε:ηε re.süv ...e:ne ...enge .r:sc,.er: angereicherten Gemischs zur .Sekundärkammer 20 gelangen läßt. Deshalb sind die prozentualen Gewichtsanteile des Kraftstoffs in den beiden Kammern am Ende des Ansaughubs derart, daß in der Primärkammer 18 eine größere Kraftstoffmenge als in der Sekundärkammer 20 vorhanden ist.

Somit erfolgt eine fast vollständige Durchströmung der Sekundärkammer 20 bei geringer Maschinenbelastung. Steigt die Maschinenbelastung jedoch an. so nimmt diese Durchströmung in der Sekundärkammer 20 ab. Dies ergibt sich durch Betriebseigenschaften und Abmessungen der Flammkanäle 29 und 31 und der Öffnung 21.

Während des nachfolgenden Kompressionshubes strömt das abgemagerte Gemisch in der Haii| irennkammer 13 zurück durch den Primärflammkana. Λ und den Sekundärflammkanal 31. und unmittelbar \or der Zündung ist das Gemisch in der Primärkammer 18 zur Zündung geeignet, während das Gemisch in der .Sekundärkammer 20 etwa dieselbe Zusammensetzung wie das abgemagerte Gemisch in der Hauptbrennkammer 13 hat. Dies beduetet. daß die in den beiden Kammern 18 und 20 erzeugten Zündenergien unterschiedlich sind, so daß die zeitliche Steuerung der Verbrennung und die Dauer des Zündflammlaufs durch den Pnmärflammkanal und den Sekundärflammkanal gleichfalls verschieden sind.

Diese Verhältnisse werden durch das folgende Beispiel verdeutlicht, das keineswegs einschränkend zu verstehen ist. Hierzu wird eine Vierzylinder-Viertaktmaschine mit 1500 cm³ Hubraum betrachtet. Diese Maschine hat ein? Primärkammer 18 von 3 cm³ und eine Sekundärkammer 20 von 3 cm¹ Volumen. Bei Leerlauf der Maschine werden ca. 11.4 cm^J Frischluft pro Zyklus in die beiden Kammern und durch die Rammkanäle 29 und 3t befördert. Wegen der relativen Bemessung der Flammkanäle 29 und 31 und der Verbindungsöffnung 21 werden ca. 2/3 der zugeführten 11.4 cm³ Frischluft durch den Flammkanal 29 und das restliche Drittel durch den Flammkanal 31 befördert. Am Ende des Ansaughubes des Kolbens 12 ist somit die Primärkammer 18 voll durchströmt und enthält nur angereichertes Gemisch, während die Sekundärkammer 20 fast völlig durch

strömt ist. Wenn die Maschine unter schwerer Belastung arbeitet, werden jedoch nur 6 cm¹ pro Zyklus in die beiden Kammern während des Ansaughubes des Kolbens 12 befördert. Zwei Drittel dieser Frischluft oder ca. 4 cm³ werden durch den Primärflammkanal 29 befördert, das restliche Drittel von ca. 2 cm' läuft durch den Sekundärflammkanal 31. Somit ist die Durchströmung der Sekundärkammer 20 unvollständig.

Wenn bei schwerer Maschinenbelastung das Gemisch in der Primärkammer 18 mit der Zündkerze 24 gezündet wird, so wird eine Zündflamme durch den Primärflamm kanal 29 in die Hauptbrennkammcr 13 geleitet. Ferner läuft eine Flamme durch die öffnung 21 in die Sekundärkammer 20 und von dort durch den Sekunclärflammkanal 31 in die llauptbrennkammer 13. Da jedoch das Gemisch in der Sekundärbrennkammer 20 im Vergleich zu dem Gemisch in der Primärkammer 18 abgemagert ist, verbrennt das Gemisch in der

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flamme aus dem Primärflamnikanal 29.

Dadurch führt die durch den Primärflammkanal 29 ungefähr in die Mitte der Hauptbrennkammer 13 geführte Zündflamme zur Verbrennung des abgemagerten Gemischs in der Hauptbrennkammer 13 ausgehend von ihrem mittleren Bereich zu den Randbereichen hin. wobei eine fast gleichmäßige Flammenausbreitung auftritt. Dadurch wird eine wirksame Verbrennung gewäh. toistct. Ein plötzlicher Anstieg des Verbrennungsdrucks und der Temperatur wird dadurch verhindert, wodurch die Erzeugung von NO, minimal ist und zusätzlich der spezifischt Krafststoffverbratich verbessert wird.

Bei hoher Maschinenbelastung wird also die Stärke der sekundären Zündflamme verringert, um die Turbulenz des Gemischs in der Hauptbrennkamnier 13 zu steuern. Das darin vorhandene Gemisch wird ausgehend vom mittleren Bereich gleichmäßig zu den Randbereichen hin verbrannt, wodurch eine zu schnelle Verbrennung und ein plötzlicher Anstieg der Verbrennungstemperatur vermieden wird und die Erzeugung von NO, verringert wird. Gleichzeitig wird der spezifische Kraftstoffverbrauch verbessert. Dacurch ist es möglich, das Kraftstoff-Luftverhältnis auf die angereicherte Seite des abgemagerten Bereichs zu legen, wodurch die Leistungsabgabe der Maschine erhöht werden kann.

Die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform arbeitet mit einem Hilfsansaugventil 35. das die Zuführung der Frischluft durch den Hilfsansaugkanal 36 und die Strömung des Kraftstoffs durch die Einspritzvorrichtung 22a steuert. Die Einspritzvorrichtung 22a ka.tn eine kontinuierlich oder eine intermittierend arbeitende Vorrichtung sein. Hinsichtlich anderer Merkmale der Konstruktion und der Funktion stimmt die in Fig.3 gezeigte Brennkraftmaschine mit der zuvor beschriebenen überein.

Bei beiden Ausführungsformen hat der Sekundärflammkanal 31 einen kleineren Querschnitt als der Primärflammkanal 29. Dadurch wird gewährleistet, daß bei hoher Maschinenbelastung der Primärflammkanal in erster Linie die Verbrennung in der Hauptbrennkammer bewirkt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder mit Vorbrennkammer und Hauptbrennkammer, bei dem die Vorbrennkammer durch eine Trennwand in eine Primärkammer, von der ein erster Flammkanal zur Hauptbrennkammer ausgeht, und eine Sekundärkammer, von der ein zweiter Flarnmkanal zur Hauptbrennkammer ausgeht, unterteilt ist, bei der die Primärkammer mit einer Zündvorrichtung in Verbindung steht, bei der in der Hauptbrennkammer über ein Haupteinlaßventil eine Hauptansaugleitung zur Einführung eines relativ mageren Kraftstoff-Luftgemischs in die Hauptbrennkammer mündet, bei der von der Hauptbrennkammer über ein Auslaßventil eine Abgasleitung abgeführt ist und bei der der erste Flammkanal in einen mittleren Bereich der Hauptbrennkammer und der zweite Flammkanal in einen Randbereich der Hauptbrennicammer gerichtet ist. wobei diese Flammkanäle unterschiedliche Länge aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärkammer (18) mit der Sekundärkammer (20) durch eine Drossel-Öffnung in der Trennwand (16) verbunden ist, daß in der Primärkammer (18) über ein Hilfsansaugventil (8,35) eine Hilfsansaugleitung (9, 36) mündet, daß eine Einspritzvorrichtung (22, 22a) zum Einspritzen von Brennstoff in die Frischluft der Primärkammer vorgesehen ist und daß der erste Flammkanal (30) länger als der zweite Flammkanal (31) ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die CinspritZVorrichlung (22) in die Primärkammer (18) gerichtet Jt.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzvorrichtung (22a) in die Hilfsansaugleitung (36) gerichtet ist.