DE2847133C2 - Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruches.

In den letzten Jahren wurden viele Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge entwickelt, die geringere Anteile von NO_x und Kohlenwasserstoffen in den Abgasen als gegenwärtig möglich abgeben sollen. Dies wurde größtenteils durch Regierungsvorschriften bestimmt, die die Verringerung derartiger Anteile in den Abgasen jeweils innerhalb eines Zeitraumes von einigen Jahren fordern und gleichzeitig Strafen oder andere Sanktionen androhen, wenn Kraftfahrzeughersteller diese Vorschriften nicht einhalten. In diesem Zusammenhang wird z.B. auf die DE-OS 26 53 046 sowie auf die Zeitschrift »Automobil-Industrie« 2/72, Seiten 57 bis 73, hingewiesen.

Es wurde bereits bekannt (DE-OS 26 53 046), die Einleitung der Kraftstoffzufuhr in Brennkraftmaschinen mit Eigenzündung gegenüber den gegenwärtig üblichen Werten zu verzögern und damit die Abgabe von NO_x zu verringern. Hierbei tritt jedoch das Problem der Fehlzündungen und der Zunahme der Kohlenwasserstoffanteile bei leichter Maschinenbelastung auf. Man hat bisher noch nicht vorgeschlagen, hohe Kompressionsverhältnisse bei geringer Maschinenbelastung sowie eine variable Verzögerung der Kraftstoffzuführung abhängig von der Maschinendrehzahl und/oder der Maschinenbelastung zur Vermeidung des Problems der Fehlzündungen anzuwenden und gleichzeitig die Abgabe von Kohlenwasserstoffen auch bei geringer Maschinenbelastung wirksam zu verringern und die geringen Werte von NO_x zu erzeugen, die normalerweise bei verzögerter Kraftstoffzufuhr auftreten.

Selbstverständlich sind Brennkraftmaschinen mit variablem Kompressionsverhältnis bereits bekannt Es handelt sich dabei z. B. um Maschinen, bei denen das Kompressionsverhältnis zur Beibehaltung eines vorbestimmten maximalen Brennkammerdrucks verändert wird. Solche Maschinen haben bei leichter Belastung relativ hohe Kompressionswerte, um den Anlauf und die

ι ο Betriebseigenschaften insgesamt zu verbessern.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Brennkraftmaschine mit 'Vorbrennkammer und Hauptbrennkammer anzugeben, bei der durch möglichst einfache Maßnahmen die Anteile NO_x sowie Kohlenwasserstoffe in den Abgasen wesentlich reduziert sind, ohne daß die Betriebseigenschaften beispielsweise durch Fehlzündungen beeinträchtigt werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst

Die Speisung der Vorbrennkammer mit Kraftstoff innerhalb eines Bereichs von 5° Kurbelwinkel vor bis 20° Kurbelwinkel nach oberem Totpunkt bedeutet eine wesentliche Verzögerung gegenüber dem Normalwert von ca. 10° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt Dadurch körnen die Anteile NO_x in den Abgasen noch weiter verringert werden.

In Verbindung damit kann ein Kompressionsverhältnis im Bereich 24:1 bis 30:1 im niedrigen und mittleren Betriebsbereich der Maschine die Abgabe von Kohlen-Wasserstoffen verringern, wobei zu berücksichtigen ist daß ein Kraftfahrzeug größtenteils im niedrigen und mittleren Betriebsbereich benutzt wird. In diesem Bereich liegt der Betrieb im Standverkehr, bei dem bekanntlich die Probleme der schädlichen Anteile in den Abgasen am schwersten wiegen.

Um einen hohen Ansaugüberdruck aufrecht zu erhalten, der zum Betrieb mit hohem Kompressionsverhältnis erforderlich ist ist der Lader, beispielsweise ein Turbolader vorgesehen. Abgase werden der Ansaugvorrichtung mindestens bei geringer Maschinenbelastung zugeführt um dadurch eine weitere Verringerung von Kohlenwasserstoffen in diesem Bereich zu erzielen. Hierzu ist nur eine einfache Rückfübrleitung vorgesehen.

Ausführungsbeispiele werden im folgenden anhand der Figuren beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Teilschnitt einer Brennkraftmaschine, bei der das Kompressionsverhältnis variabel ist,

F i g. 2 eine schematische Darstellung der Wechseiso wirkung zwischen verschiedenen Teilen einer Brennkraftmaschine.

In F i g. 1 ist eine Brennkraftmaschine 10 mit einem Zylinderkopf 12 und einem Zylinder 14 dargestellt, in dem eine Hauptbrennkammer 16 ausgebildet ist.

Obwohl nur ein Ansaugventil 18 dargestellt ist, enthält die Brennkraftmaschine 10 auch in üblicher Weise über eine Kipphebelanordnung gesteuerte Austrittsventile. Der Zylinderkopf 12 enthält ferner eine Vorbrennkammer 20, die eine kugelige Form hat und über einen Kanal 22 mit der Hauptbrennkammer 16 verbunden ist. Eine Kraftstoffdüse 24 ist im Zylinderkopf 12 angeordnet und spritzt Kraftstoff in die Vorbrennkammer 20 ein. Die Kraftstoffdüse 24 ist so vorgesehen, daß sie mit der kugeligen Form der Vorbrennkammer 20 eine Verwirbelung des Kraftstoff-Luftgemischs in der Vorbrennkammer bewirkt, wodurch ein nahezu homogenes Gemisch entsteht.

Ein Kolben 28, der eine Veränderung des Kompres-

sionsverhältnisses ermöglicht, ist in dem Zylinder 14 bewegbar und besteht aus zwei Hauptteilen, nämlich einem Kolbengehäuse 30 und einem Kolbenbolzenträger 32. Der Kolbenbolzenträger 32 ist mit der Kurbelwelle (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine 10 über einen Kolbenbolzen 36 und eine Pleuelstange 34 verbunden.

Wie bei Brennkraftmaschinen dieser Art üblich, bewegt sich der Kolbenbolzenträger 32 zwischen festen oberen und unteren Grenzstellungen, während das ι ο Kolbengehäuse 30 an dem Kolbenbolzenträger 32 teleskopartig verschiebbar ist und seinerseits innerhalb vorbestimmter Grenzen bewegt werden kann, so daß sich zwischen der Mitte des Kolbenbolzens 36 und dem oberen Ende des Kolbengehäuses 30 eine unterschiedli- is ehe Höhe ergeben kann. Diese variable Höhe bringt eine Variation des Kompressionsverhältnisses der Brennkraftmaschine mit sich, wie dies für Maschinen dieser Art bekannt ist

Ein Hydrauliksystem 38 gewährleistet, daß das Kolbengehäuse 30 während des Anlaufens und des Betriebs unter geringer Belastung in seiner extrem ausgeschobenen Stellung ist und daß es sich in eine Stellung mit geringerem Kompressionsverhältnis bewegt, wenn die Maschine unter höherer Last arbeitet Dieses System ist beispielsweise durch die US-Patentschriften 34 03 662, 34 18 982, 34 50 111 und 34 17 739 bekannt und muß deshalb hier nicht ausführlicher erläutert werden.

Die in F i g. 1 dargestellte Brennkraftmaschine arbeitet mit einem Kompressionsverhältnis im Bereich von 24 :1 bis 30 :1, und zwar mindestens während leichter und mittlerer Belastung. Die Vorbrennkammer 20 hut ein relativ großes Volumen gegenüber dem Volumen der Hauptbrennkammer 16 im oberen Totpunkt des Kolbens 28, um zu gewährleisten, daß im oberen Teil des Kompressionshubes des Kolbens 28 ein relativ großes Kraftstoff-Luftverhältnis in der Vorbrennkammer 20 vorliegt. Die relativ hohen Kompressionsverhältnisse gewährleisten, daß das Kraftstoff-Luftgemisch in der Vorbrennkammer während des Kompressionshubes gezündet wird.

Um das gewünschte hohe Kraftstoff-Luftverhältnis in der Vorbrennkammer 20 zu erreichen, beträgt das Verhältnis des Volumens der Vorbrennkammer zum Gesamtvolumen von Vorbrennkammer 20 und Hauptbrennkammer 16 im oberen Totpunkt des Kolbens 28 0,7 bis 0,85.

Es hat sich gezeigt, daß die Kombination relativ hoher Kompressionsverhältnisse und relativ hoher Volumenwerte der Vorbrennkammer gegenüber dem Volumen der Hauptbrennkammer im oberen Totpunkt des Kolbens zu einer Brennkraftmaschine führt, bei der die Abgabe der Anteile NO_x und von Kohlenwasserstoffen wesentlich verringert ist. Bisher war es besonders schwierig, die Anteile NO_x zu verringern. DuTh das vorgegebene ERDA-Programm soll beispielsweise ein Wert dieser Anteile von 2,5 g pro km verwirklicht werden. Dieser Wert kann bei Brennkraftmaschinen der bisherigen Art nicht erreicht werden. Bei einer Brennkraftmaschine nach der Erfindung ergeben sich hingegen Werte von 1,075 g NO_x pro km im Stadtverkehr und von 0,9839 g NO_x pro km bei Autobahnfahrt. Diese beachtlichen Ergebnisse werden größtenteils auf die hohen Kompressionsverhältnisse, insbesondere aber auf das relativ große Volumen der Vorbrennkammer zurückgeführt

F i g. 2 zeigt schematisch Merkmale die zur Verringerung der Abgabe von NO_x und von Kohlenwasserstoffen in den Abgasen beitragen.

F i g. 2 zeigt schematisch, daß die Brennkraftmaschine 10 einen Lader 50 enthält dessen Kompressor 52 überladene Luft der Ansaugleitung 54 der Maschine 10 zuführt Die Maschine 10 ist mit einem Abgassystem 56 versehen, und eine Leitung 58 verbindet das Abgassystem 56 mit der Ansaugleitung 54, so daß zumindest ein Teil der Abgase mindestens während leichter und mittlerer Maschinenbelastung rezirkuliert wird. Es ist lediglich eine direkte Verbindung für eine derartige Abgaszirkulation erforderlich, da bei Belastungen bis zu höchstens ca. 40% der Abgasgegendruck den Druck der Ansaugluft überwiegt und somit Abgase in die Ansaugleitung 54 strömen können. Bei Belastungen über ca. 40% ist der Ansaugdruck größer als der Abgasgegtndruck, so daß keine Abgasrezirkulation auftritt. Die Steuerung der Abgase ist bei Brennkraftmaschinen bekanntlich unter Teillast am schwierigsten. Somit bieten die vorstehend beschriebenen Maßnahmen der Abgasrückführung eine einfache, jedoch wirksame Möglichkeit zur Beeinflussung der Abgase bei leichter bis mittlerer Belastung. Da die Abgase nicht über den Kompressor zurückgeführt werden, ergeben sich keine Abnutzungsprobleme, wie dies normalerweise bei Kompressoren in solchen Systemen der Fall ist.

Bei einer wie oben beschriebenen Brennkraftmaschine nach der Erfindung wird die Kraftstoffeinspritzung wesentlich verzögert und beginnt im Bereich zwischen 5° Kurbelwinkel vor und 20° Kurbelwinkel nach oberem Totpunkt. Diese starke Verzögerung der Einleitung der Kraftstoffeinspritzung trägt wesentlich zur Verringerung der Anteile NO_x in den Abgasen bei.

Die hohen Kompressionswerte einer Brennkraftmaschine gemäß Ausführungsbeispiel ermöglichen eine starke Zündverzögerung ohne Fehlzündungen oder Zunahme der Kohlenwasserstoffe in den Abgasen.

Zur Verzögerung des Einspritzbeginns ist eine Einspritzvorrichtung 60 (Fig.2) vorgesehen, die mit einem die Maschinenbelastung auswertenden Fühler 62 versehen ist, so daß die Einleitung der Kraftstoffeinspritzung mit der Maschinenbelastung oder der Maschinendrehzahl in der in genannten Weise verändert werden kann.

Die Erfindung führt also zu einer Brennkraftmaschine, die eine wesentliche Verringerung der schädlichen Anteile in den Abgasen ermöglicht. Diese Verringerung ist insbesondere wichtig bei den Anteilen NO_x, da diese bisher die größten Probleme verursachten. Der Zusammenhang zwischen dem Volumen der Vorbrennkammer und dem Volumen der Hauptbrennkammer wirkt sich hier am stärksten aus. Die Kompressionswerte, die Abgasrückführung und die Verzögerung der Kraftstoffeinspritzung tragen weiter zur Verringerung der Anteile NO_x und der Kohlenwasserstoffe bei.

Die Erfindung wird bei einer Brennkraftmaschine mit variablem Kompressionsverhältnis eingesetzt, da hier höhere Kompressionswerte bei leichter und mittlerer Maschinenbelastung als bei normalen Brennkraftmaschinen erreicht werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Brennkraftmaschine mit Eigenzündung mit einer durch einen Kolben begrenzten Hauptbrennkammer und einer damit verbundenen Vorbrennkammer sowie mit Vorrichtungen zur Speisung der Hauptbrennkammer mit Luft Ober eine Ansaugleitung und zur Einspritzung von Kraftstoff in die Vorbrennkammer und mit Zündung eines Kraftstoff-Luftgemisches in der Vorbrennkammer, wodurch die Zündung eines Kraftstoff-Luftgemischs in der Hauptbrennkammer erfolgt, wobei das Volumen der Vorbrennkammer bei oberer Totpunktlage des Kolbens 70% bis 85% des vereinigten Volumens von Hauptbrennkammer und Vorbrennkammer beträgt, das Verdichtungsverhältnis bei Teillast im Bereich von 24 bis 30 liegt und der Einspritzbeginn bei Vollast vor dem Erreichen des oberen Tntpunktes liegt dadurch gekennzeichnet, daß sine Verstellung des mit steigender Last vorverstellbaren und bei Vollast bei 5° Kurbelwinkel vor oberem Totpunkt Hegenden Einspritzbeginns ausgehend von 20° Kurbelwinkel nach oberem Totpunkt erfolgt, daß eine Vorrichtung (30,32,38) zur automatischen Änderung des Verdichtungsverhältnisses zwischen einem maximalen Wert bei Teillast und einem minimalen Wert bei Vollast vorgesehen ist, daß ein die Ansaugleitung (54) beaufschlagender Lader (50) vorgesehen ist, dessen Ausgangsdruck bei Belastungen oberhalb von annähernd 40% der Vollast den Druck der Abgase im Abgassystem (56) übersteigt, und daß zur Abgasrückführung lediglich eine Leitung (58) zwischen dem Abgassystem (56) und der Ansaugleitung (54) vorgesehen ist