DE4123592C2 - Verfahren zur Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einer gemischverdichtenden Brennkraftmaschine - Google Patents
Verfahren zur Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einer gemischverdichtenden BrennkraftmaschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung eines
Kraftstoff-Luft-Gemisches in einer gemischverdichtenden Brennkraftmaschine.
Aus der DE-PS 38 07 841 ist es bekannt, im Zylinderkopf einer
Brennkraftmaschine einen mit einer Überströmbohrung zum Hauptbrennraum
versehenen Hilfsbrennraum anzuordnen, in den die
Elektroden einer Zündkerze vorstehen. Im Verdichtungstakt des
Hubkolbens wird eine Teilmenge des Kraftstoff-Luft-Gemisches in
den Hilfsbrennraum hineinverdichtet und von der Zündkerze gezündet,
wonach die angebrannte Gemischteilmenge unter hohem
Druck und Geschwindigkeit als Zündstrahl über die Überströmbohrung
in den Hauptbrennraum austritt und auf dem Kolbenboden in
radial nach außen schießende Feuerlanzen zerplatzt. Der auf dem
Kolbenboden erzeugte Flächenbrand bewirkt eine besonders
schnelle Durchbrennung des im Hauptbrennraum befindlichen restlichen
Gemisches. Aufgrund der schnellen Durchbrennung ist es
möglich, den Zündzeitpunkt sehr kurz vor OT des Kolbens zu legen.
Trotz der geringen Verdichtungsarbeit des Kolbens ergibt
sich im Vergleich zur konventionellen Zündkerzenzündung im
Hauptbrennraum nicht die angestrebte Verbesserung der Motorleistung,
die sich im wesentlichen aus der Differenz zwischen Expansionsenergie
und Verdichtungsarbeit ergibt. Die Ursache
liegt dabei in dem von der Durchbrennschnelligkeit bedingten
rapiden Druckabfall nach OT, wodurch nur ein verhältnismäßig
kleiner Betrag der Expansionsenergie des verbrannten Gemisches
vom Kolben umgesetzt werden kann.
Aus der US-PS 4287862 ist ein Zylinderkopf mit einer Zündkerzenanordnung
bekannt, die eine erste Zündkerze in einer Hilfsbrennkammer
und eine zweite Zündkerze im Hauptbrennraum umfaßt.
Dabei zündet die erste Zündkerze schon während des Übergangs
vom Ansaugtakt zum Kompressionstakt. Es kommt deshalb keine
Verbrennung zustande, vielmehr erfolgt nur eine Anbrennung des
Gemisches, bei der Gasradikale erzeugt werden, die durch den in
der Hilfsbrennkammer ansteigenden Druck in den Brennraum übertreten.
Durch die erste Zündung in der Hilfsbrennkammer wird
somit allein ein durchbrennfähigeres Gemisch im Hauptbrennraum
erreicht, so daß die Hilfsbrennkammer nur die Funktion der Gemischaufbereitung
besitzt und die eigentliche Verbrennung des
Gemisches erst über die zweite Zündung abläuft. Diese wird von
einer herkömmlichen zweiten Zündkerze im Hauptbrennraum eingeleitet,
sobald der Kolben nahe bei OT angelangt ist, wobei nun
zwar durch das mit Radikalen angereicherte Gemisch eine gegenüber
einer herkömmlichen mit lediglich einer im Hauptbrennraum
angeordneten Zündkerze erfolgenden Zündung verbesserte schnelle
Verbrennung erreicht wird, die jedoch gegenüber der sehr
schnellen Verbrennung mittels eines Zündstrahles, wie er beispielsweise
aus der DE-PS 38 07 841 bekannt ist, vergleichsweise
langsam ist. Dadurch ergibt sich jedoch nur ein relativ flacher
Verbrennungsdruckverlauf, der keine nennbare motorische
Leistungssteigerung bzw. eine Verminderung des Kraftstoffverbrauches
mit sich bringt.
Desweiteren ist aus der JP 63-277866 (A) die Anordnung zweier Zündkerzen
in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine entnehmbar,
wobei eine erste Zündkerze in eine Hilfsbrennkammer und eine
zweite Zündkerze in einen Hauptbrennraum vorsteht. Dabei zündet
die zweite Zündkerze im Hauptbrennraum unmittelbar nach der
Zündung der ersten in der Hilfsbrennkammer befindlichen Zündkerze,
um Zündaussetzer der ersten Zündkerze zu kompensieren.
Dadurch wird zwar eine sichere Zündung ermöglicht, jedoch keine
schnelle Verbrennung, wodurch sich ebenfalls nur ein flacher
Verbrennungsdruckverlauf einstellt.
Die JP 55-123372 (A) betrifft zwei im Hauptbrennraum eines Motorzylinderkopfes
angeordnete Zündkerzen. Dabei geht von einer herkömmlich
ausgebildeten Zündkerze nach einer ersten Zündung eine
Flammenfront aus, die zu einem späteren Zeitpunkt eine Plasmazündkerze
erreicht, welche aus dem ionisierten Gasanteil der
Flammenfront einen Zündungsimpuls für eine zweite Zündung erhält.
Im Vollastbetrieb des Motors ist die Laufzeit der ionisierten
Gasteile zur Plasmazündkerze sehr kurz, so daß die Durchbrennung
des gesamten Kraftstoff-Luft-Gemisches fast allein durch
die aus der Zündung der Plasmazündkerze hervorgehende schnelle
Verbrennung erfolgt. Die schnelle Durchbrennung des Gemisches
führt zwar zu einem hohen Druckanstieg kurz vor OT, jedoch
fällt der Druck direkt nach OT ähnlich wie bei der Zündung in
der DE-PS 38 07 841 schlagartig ab, so daß sich kein Verbrennungsdruckverlauf
ergibt, der zu einer Verbesserung der Motorleistung
führt. Im mittleren und unteren Lastbereich ist die
Laufzeit der ionisierten Gasteilchen zur Plasmazündkerze sehr
langsam, da der Restgasanteil im Brennraum hoch ist. Dadurch
ist das Gemisch bis zum Erreichen der Plasmazündkerze durch die
ionisierten Gasteilchen fast vollständig durchgebrannt. Aus
dieser Verbrennung resultiert wiederum ein flacher Verbrennungsdruckverlauf,
der durch die Durchbrennung des noch vorhandenen,
geringen unverbrannten Gemischanteils über die Zündung
der Plasmazündkerze für den gesamten Kompressionszustand nur
eine vernachlässigbar geringe Anhebung aufweist. Durch die Abhängigkeit
der Zündzeitpunkte kann somit beim vorliegenden
Verfahren in keinem der Lastbereiche ein Verbrennungsdruckverlauf
erreicht werden, der eine wesentliche Verbesserung der
Motorleistung zur Folge hat.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur
Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einer gemischverdichtenden
Brennkraftmaschine anzugeben, bei dem durch eine
schnellere Verbrennung eine Anhebung des Verbrennungsdruckverlaufes
erreicht 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 des Druckverlaufes nach OT wird das Verhältnis
der Expansionsenergie zur Verdichtungsarbeit vergrößert, 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 Arbeitszyklusses 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 Prozeßzyklusses 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 UT
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. Verfahren zur Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in
einer gemischverdichtenden Brennkraftmaschine, bei dem im Kompressionstakt
in einem ersten Schritt eine erste in einen
Hauptbrennraum (3) der Brennkraftmaschine vorstehende Zündkerze
(11) früh vor dem Erreichen des oberen Totpunktes (OT) durch
einen Hubkolben (12) das Gemisch in einer ersten Zündung zündet
und in einem zweiten Schritt eine zweite in eine mit dem Hauptbrennraum
(3) über eine Überströmbohrung (7) verbundene, im
Zylinderkopf (1) der Brennkraftmaschine angeordnete Hilfebrennkammer
(8) vorstehende Zündkerze (10) in einer zweiten von der
ersten Zündung unabhängig verlaufenden Zündung einen aus dem
Hauptbrennraum (3) in die Hilfsbrennkammer (8) mittels des Hubkolbens
(12) hineinverdichteten Gemischteil nahe OT zündet,
wonach der brennende Gemischteil als Zündstrahl über die Überströmbohrung
(7) in den Hauptbrennraum (8) austritt und einen
dort verbliebenen im Verhältnis zum verbrannten Gemischanteil
größeren Anteil an unverbranntem Gemisch zündet.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zündzeitpunkte der beiden Zündungen last- und drehzahl
abhängig gesteuert werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuerung der Zündzeitpunkte durch eine elektronische
Steuereinheit nach einem Kennfeld erfolgt.
4. Verfahren 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. Verfahren 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.
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