DE4123592C2 - Verfahren zur Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einer gemischverdichtenden Brennkraftmaschine - Google Patents

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 V_c. 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.