DE4123592A1 - Gemischverdichtende brennkraftmaschine - Google Patents
Gemischverdichtende brennkraftmaschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine gemischverdichtende Brennkraftma
schine gemäß den im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angege
benen Merkmalen.
Eine Brennkraftmaschine der gattungsgemäßen Bauart ist aus der
DE-PS 38 07 841 bekannt. Durch den dort erzeugten Zündstrahl
und der damit verbundenen schnellen Durchbrennung des Kraft
stoff-Luft-Gemisches ist es möglich, den Zündzeitpunkt sehr
kurz vor OT des Kolbens zu legen. Trotz der geringen Verdich
tungsarbeit des Kolbens ergibt sich im Vergleich zur konven
tionellen Zündkerzenzündung im Hauptbrennraum nicht die ange
strebte Verbesserung der Motorleistung, die sich im wesentli
chen aus der Differenz zwischen Expansionsenergie und Verdich
tungsarbeit ergibt. Die Ursache liegt dabei in dem von der
Durchbrennschnelligkeit bedingten rapiden Druckabfall nach OT,
wodurch nur ein verhältnismäßig kleiner Betrag der Expansions
energie des verbrannten Gemisches vom Kolben umgesetzt werden
kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer gattungsge
mäßen Brennkraftmaschine die Zündvorrichtung derart weiterzuent
wickeln, daß eine Verbesserung der Motorleistung und eine Ver
minderung des Kraftstoffverbrauches erzielt wird.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1
angegebenen kennzeichnenden Merkmale gelöst.
Dabei ist im Zylinderkopf zusätzlich zur Hilfsbrennkammerzün
dung eine in den Hauptbrennraum vorstehende zweite Zündkerze
angeordnet. Das Gemisch wird über diese zu einem frühen Zeit
punkt vor OT gezündet. Zu einem späteren Zeitpunkt vor OT wird
dann die im Hilfsbrennraum befindliche Ladungsmasse gezündet,
die in Form eines schnellen Zündstrahles aus der Überströmbohrung
des Hilfsbrennraumes austritt und eine Zündung des im
Hauptbrennraum noch unverbrannten Gemischanteils bewirkt.
Nach der ersten Zündung durch die Zündkerze breitet sich die
Flamme aufgrund ihrer anfänglich kleinen Oberfläche langsam
aus, wobei bis zu einem Zeitpunkt nahe OT nur ein kleiner Teil
(ca. 5%) des gesamten Kraftstoff-Luft-Gemisches verbrannt ist.
Durch den entstehenden Wärmeenergieumsatz in der Entflammungs
phase wird der unverbrannte Gemischanteil in einen im Vergleich
zur normalen Kolbenverdichtung höheren Kompressionszustand ge
bracht. Vom höheren Kompressionszustand ausgehend erfolgt zu
einem späten Zeitpunkt vor OT die zweite Zündung durch den
Zündstrahl. Der Zündstrahl besitzt eine besonders hohe Ge
schwindigkeit, da nach der ersten Zündung das verbrannte Ge
misch das unverbrannte Gemisch vor sich her schiebt und in den
Hilfsbrennraum zusätzliche Ladungsmasse hineinverdichtet. In
folgedessen wird die noch unverbrannte Gemischmasse im Haupt
brennraum über den besonders schnell erzielten Flächenbrand auf
dem Kolbenboden beschleunigt durchgebrannt. Der nach der ersten
Zündung erhöhte Kompressionsdruck steigt nun nach der zweiten
Zündung, welche kurz vor OT erfolgt, abrupt bis OT an und er
reicht einen maximalen Verbrennungsenddruck, der danach annä
hernd exponentiell während der Expansionsphase des verbrannten
Gemisches abklingt. Die durch den Wärmeenergieumsatz nach der
ersten Zündung erzielte Anhebung des Kompressionsdruckes führt
dabei zu einer Anhebung des Spitzendruckbereiches und somit zu
einer Anhebung des Verbrennungsdruckverlaufes in der Expansi
onsphase. Der nach der ersten Zündung anliegende
Kompressionsdruck befindet sich zwar in einem erhöhten Zustand,
der Druckverlauf jedoch liegt wegen der langsamen Verbrennung
bis zur zweiten Zündung kurz vor OT auf niedrigem Niveau, so
daß die gesamte Verdichtungsarbeit des Kolbens niedrig ist.
Dadurch und durch die Anhebung Druckverlaufes nach OT wird das
Verhältnis der Expansionsenergie zur Verdichtungsarbeit ver
größert, wodurch die Motorleistung verbessert und damit auch
der Verbrauch verringert wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach An
spruch 2 sind die Zündzeitpunkte der beiden Zündungen in Ab
hängigkeit vom Last- und Drehzahlbereich gesteuert, so daß über
den gesamten Bereich hinweg die Motorleistung verbessert ist.
Nach Anspruch 3 erfolgt vorteilhaft die Steuerung der Zündzeit
punkte durch eine externe elektronische Steuereinheit nach ei
nem Kennfeld. Dadurch kann der Verbrennungsablauf in jedem
Last- und Drehzahlbereich durch Einstellung der Zündzeitpunkte
derart optimiert werden, daß das Verhältnis von der nach dem
oberen Totpunkt (OT) des Kolbens nutzbaren Expansionsenergie zu
der vom Kolben vor OT zu leistenden Verdichtungsarbeit und da
mit die Motorleistung möglichst groß ist.
In der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung werden zwei Aus
führungsbeispiele der Erfindung anhand eines in einem Längs
schnitt dargestellten Zylinderkopfabschnitts mit einem Haupt
brennraum, einem Hilfsbrennraum und zwei Zündkerzen näher er
läutert, wobei zusätzlich in einem pV-Diagramm der Druckverlauf
der Verbrennung während eines Arbeitszyklus des Kolbens
schematisch verdeutlicht wird.
In Fig. 1 weist ein Zylinderkopfabschnitt 1 im Zylinderkopfbo
den 2 eine im wesentlichen flach ausgebildete Vertiefung auf,
die als Hauptbrennraum 3 für ein Kraftstoff-Luft-Gemisch dient.
In seinem Randbereich 4 besitzt der Hauptbrennraum 3 an seiner
Decke 5 eine Mündungsöffnung 6 einer Überströmbohrung 7. Die
Überströmbohrung 7 verläuft schräg nach oben in den Zylinder
kopfabschnitt 1 hinein und mündet in einen im Vergleich zum
Hauptbrennraum 3 kleinvolumigen Hilfsbrennraum 8. Durch dessen
Decke 9 ragt eine Zündkerze 10 mit ihren Zündkontakten. Im
Randbereich 4 des Hauptbrennraumes 3 liegt der Mündungsöffnung
6 der Überströmbohrung 7 eine zweite Zündkerze 11 gegenüber.
Die Zündkerzen 10, 11 sind mit hier nicht weiter dargestellten
elektronischen Steuergeräten verbunden, die die Zündzeitpunkte
der Zündkerzen 10, 11 drehzahl- und lastabhängig einstellen.
In Fig. 2 ist abweichend von Fig. 1 die Mündungsöffnung 6 der
Überströmbohrung 7 mittig in der Decke 5 des Hauptbrennraumes 3
angeordnet, wobei die Überströmbohrung 7 koaxial zur Zylinder
achse angeordnet ist.
An Hand des Diagramms der Fig. 3 soll die Wirkungsweise des
erfindungsgemäßen Brennverfahrens näher erläutert werden. Gemäß
Fig. 3 verdichtet vom unteren Totpunkt (UT) aus ein Hubkolben
12 das Kraftstoff-Luft-Gemisch zuerst bis zu einem Kompres
sionszustand I. In diesem zündet die zweite Zündkerze 11 zu
einem ersten Zündzeitpunkt ZT1 früh vor dem oberen Totpunkt
(OT) das Gemisch. Die Flamme breitet sich langsam aus, wobei
das verbrannte Gemisch das unverbrannte zur Mündungsöffnung 6
schiebt. Ein Teil des unverbrannten Gemisches wird über diese
durch die Überströmbohrung 7 in den Hilfsbrennraum 8 hineinver
dichtet. Durch den Wärmeübertrag vom gezündeten Gemisch auf das
noch unverbrannte erfolgt eine Anhebung des Druckes in einen
höheren Kompressionszustand II entlang der strichpunktierten
Linie. Im Kompressionszustand II zündet die Zündkerze 10 zu
einem zweiten Zündzeitpunkt ZT2 spät vor OT das hochverdichtete
Gemisch im Hilfsbrennraum 8, aus welchem das entflammte Gemisch
über die Überströmbohrung 7 als Zündstrahl austritt. Der
Zündstrahl trifft auf die Oberfläche des Kolbenbodens, zer
platzt in radiale Richtung und breitet sich vom Kolbenboden als
Flächenbrand aus. Es erfolgt eine sehr rasche Durchbrennung des
Gemisches, die sich in einem abrupten Druckanstieg bis zu einem
maximalen Verbrennungsdruck III äußert, wobei bis zu 95% des
Gemisches nach OT verbrannt wird. In OT besitzt das Gemisch das
nicht weiter zu komprimierende Kompressionsvolumen Vc. Nach
Erreichen der Druckspitze nimmt der Druck in der Expansionspha
se bis OT annähernd exponentiell ab.
Die Fläche, die von der strichpunktierten Linie in Fig. 3 wäh
rend des Prozeßzyklus eingeschlossen ist, entspricht der aus
der Verbrennung nutzbaren Energie bzw. der Nutzleistung, woge
gen die Fläche, die von Ordinate und Abszisse des Diagrammes
und der strichpunktierten Linie im Verdichtungsvorgang von OT
nach OT begrenzt wird, der Verdichtungsarbeit bzw. der Verlust
leistung entspricht. Im Vergleich zur Nutzleistung, die aus
einem Prozeßzyklus mit der einfachen Zündstrahlzündung gewonnen
wird und die aus der von der durchgezogenen Linie begrenzten
Fläche hervorgeht, ist die durch die erfinderische Zündvorrich
tung erbrachte Nutzleistung aufgrund des nach OT angehobenen
Druckverlaufes deutlich größer. Dies entspricht einer verbes
serten Leistung des Motors und damit einem reduzierten Kraft
stoffverbrauch und einer reduzierten Schadstoffemission.
Durch geeignete Steuerung der Zündzeitpunkte sind bei gleicher
Leistungsentfaltung Verbrennungsabläufe mit geänderten Ver
brennungsdauern und geänderten Druckspitzen erzielbar. Dies
kann ebenfalls erreicht werden, wenn bei gleicher Einstellung
der Zündzeitpunkte ausgehend von der Anordnung der Zündvorrich
tung von Fig. 1 die Mündungsöffnung 6 der Überströmbohrung 7 in
Richtung der Zündkerze 11 verschoben wird, wie in Fig. 2 darge
stellt ist. Dabei kann bei geeigneter Wahl des zweiten Zünd
zeitpunktes die sich von der Zündkerze 10 nach der ersten
Zündung ausbreitende Flammenfront in den Hilfsbrennraum 8 über
greifen, so daß schon vor der zweiten Zündung ein Gemischanteil
im Hilfsbrennraum 8 verbrannt wird. Infolgedessen ergibt sich
in dieser ein bei der zweiten Zündung geringerer Druckanstieg,
wodurch der Zündstrahl mit geringerer Geschwindigkeit in den
Hauptbrennraum 3 austritt und wodurch die nachfolgende lang
samere Durchbrennung des im Hauptbrennraum 3 noch nicht ver
brannten Gemisches eine niedrigere Druckspitze im Druckverlauf
aufweist. Aufgrund der beschriebenen weicheren Verbrennung wird
damit die Geräuschemission des Motors verringert.
Claims (5)
1. Gemischverdichtende Brennkraftmaschine mit einem Hauptbrenn
raum pro Zylinder und einem im Zylinderkopf angeordneten, durch
eine Überströmbohrung mit dem Hauptbrennraum verbundenen Hilfs
brennraum, in den eine Zündkerze vorsteht, wobei ein Teil des
Kraftstoff-Luft-Gemisches mittels eines Kolbens aus dem Haupt
brennraum in den Hilfsbrennraum durch die Überströmbohrung hi
neinverdichtet wird und aus dieser nach erfolgter Zündung als
Zündstrahl in den Hauptbrennraum austritt,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Zylinderkopf eine in den Hauptbrennraum (3) vorstehende
zweite Zündkerze (11) angeordnet ist und daß mittels dieser
eine erste Zündung und mittels des Zündstrahles eine zweite
Zündung des Gemisches erfolgt.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zündzeitpunkte der beiden Zündungen last- und drehzahl
abhängig gesteuert werden.
3. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuerung der Zündzeitpunkte durch eine elektronische
Steuereinheit nach einem Kennfeld erfolgt.
4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Zündkerze (11) im Randbereich (4) des Haupt
brennraumes (3) der Überströmbohrung (7) gegenüberliegend ange
ordnet ist.
5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Überströmbohrung (7) mittig zum Hauptbrennraum (3) und
die zweite Zündkerze (11) in dessen Randbereich (4) angeordnet
ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4123592A DE4123592C2 (de) | 1991-07-17 | 1991-07-17 | Verfahren zur Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einer gemischverdichtenden Brennkraftmaschine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE4123592A DE4123592C2 (de) | 1991-07-17 | 1991-07-17 | Verfahren zur Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einer gemischverdichtenden Brennkraftmaschine |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE4123592A1 true DE4123592A1 (de) | 1993-01-21 |
DE4123592C2 DE4123592C2 (de) | 1993-09-30 |
Family
ID=6436296
Family Applications (1)
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DE4123592A Expired - Fee Related DE4123592C2 (de) | 1991-07-17 | 1991-07-17 | Verfahren zur Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einer gemischverdichtenden Brennkraftmaschine |
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Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4123592C2 (de) |
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8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: DAIMLERCHRYSLER AG, 70567 STUTTGART, DE |
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8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |