DE2259286B2 - Viertakt-hubkolben-brennkraftmaschine - Google Patents

Viertakt-hubkolben-brennkraftmaschine

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Description

Die Erfindung betrifft eine Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Fremdzündung, bei welcher jedem Zylinder eine Haupibrennkummer zugeordnet ist. in die ein verhältnismäßig mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch eingeführt wird, und eine Hilfsbrennkammer zugeordnet ist, in die ein verhältnismäßig fettes Gemisch eingeführt wird, wobei die Hauptbrennkammer teilweise durch den zugeordneten Arbeitskolben begrenzt ist und über eine Fackeldüsenöffnung von bestimmter Querschnittsfläche in Verbindung mit der Hilfsbrennkammer stoht, mit einer Einlaß- und einer Auslaßventileinrichtung für die Hauptbrennkammer, einer Hilfseinlaßventileinrichtung für die Hilfsbrennkammer und einer Einrichtung zur Zündung des Gemisches in der Hilfsbrennkammer. deren Volumen ein bestimmter kleiner Anteil des vereinigten Volumens der vom im oberen Totpunkt stehenden Arbeitskolben begrenzten Hauptbrennkammer und der Hilfsbrennkammer ist.
Eine derartige Maschine ist z. B. durch die DT-AS 11 71 670 bekannt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die Abgasemissionen von NO,, HC und CO einer derartigen Maschine bei optimaler Kraftstoffausnutzung zu verringern.
Diese Aufgabe wird für eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Anteil zwischen 5 und 12% beträgt und daß die Querschnittsfläche der Fackeldüsenöffnung zwischen 0,04 und 0,20 cm2 — vorzugsweise zwischen 0,04 und 0,16 cm2 — pro cm3 der Hilfsbrennkammer beträgt.
Es hat sich gezeigt, daß bei einer Brennkraftmaschine mit Hauptbrennkammer und Hilfsbrennkammer die vorstehend aufgezeigten Forderungen insgesamt erfülk werden können, wenn in der Hauptbrennkammer nahe der Fackeldüsenöffnung am Ende des Kompressionshubes, d.h. im Moment der Zündung, eine sogenannte »Gemischwolke« mäßiger Anreicherung erzeugt wird. Durch diese Gcmischwolke, die sich dann zwischen dem angereicherten Gemisch in der Hilfsbrennkammer und dem abgemagerten Gemisch im übrigen Teil der Hauptbrennkammer befindet, erfolgt bei einem gegenüber dem stöchiomelrischcn Verhältnis mageren Gesamt-Kraftstoff-Luftverhältnis, das zu einer Verringerung von CO in den Abgasen führt, eine allmähliche Vprhrennnne des Gemisches in der Hauptbrennkamrner
40 w ährend praktisch des gesamten Leistungshubes, so daß dadurch eine niedrige Spitzentemperatur erzielt wird, was insbesondere zu einer Verringerung der Anteile NO, und HC in den Abgasen führt.
Um nun eine derartige »Gemischwolke« erzeugen zu können, sind gemäß einer der Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis zwei Forderungen zu erfüllen, nämlich einerseits eine geeignete Bemessung der an der Erzeugung der Gemischwolke beteiligten Elemente, andererseits eine solche Anordnung dieser Elemente, daß während und am Ende des Kompressionshubes die Turbulenz in der Hauptbrennkammer minimal ist. um die Ausbildung der genannten Gemischwolke überhaupt zu ermöglichen. Diesen Forderungen wird eine nach der Erfindung ausgebildete Brennkraftmaschine gerecht.
Es sind zwar im Zusammenhang mit Brennkraftmaschinen der hier betrachteten Art auch schon Größen Verhältnisse für die Brennkammern und die Fackeldüsenöffnung angegeben worden (US-PS J2 30 939. DT-AS 12 28 849*! US-PS 21 84 357, US-PS 35 43 7ib. US-PS 28 84913). Jedoch sind diese Werte nicht geeignet, die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile zu erreichen. Die nach der Erfindung vorgesehenen Verhältnisse ergaben sich erst auf Grund der vorstehend erläuterten Überlegungen.
Vorzugsweise wird die Querschnittsfläche der Fackeldüse über mindestens einen Teil ihrer Länge im wesentlichen konstant gehalten.
Die Einlaß- und Auslaßvcmilcinrichiung für die Hauptbrennkammer kann aus einem einzigen Einlaßventil und einem einzigen Auslaßventil bestehen.
Die Gemisch/ufuhreinrichtung besteht vorzugsweise aus einem ersten Vergaser, welcher zur Zuführung eines Gemisches zur Hilfsbrennkammer dient, sowie aus einem zweiten Vergaser, welcher zur Zutuhr eines Gemischs zur Hauptbrennkammer dient. Ferner weist der erste wie auch der zweite Vergaser zweckmäßig eine Drosselklappe auf, wobei eine Einrichtung zur gleichzeitigen Bewegung beider Drosselklappen und zur Koordination der Bewegung der Drosselklappen in solcher Weise vorgesehen ist, daß sie sich zwischen Leerlauf- und Vollaststcllung mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten derart bewegen, daß das gesamte Luft-Kraftstoff-Gemisch im Leerlauf fetter als bei Vollast ist. Vorzugsweise umfaßt die Einrichtung einen Nocken und ein Nockenfolgeclcment.
Die Hilfsbrennkammer ist zweckmäßig innerhalb eines Hohlraums ausgebildet und weist einen dünnwandigen, metallischen Napf geringer Wärmekapazität auf. welcher innerhalb des Hohlraums, aber im Abstand zu den Wänden desselben angeordnet ist, und welcher eine Öffnung aufweist, die mit der Fackeldüse in Verbindung steht. Der Napf kann aus wärmefestem Material, vorzugsweise aus rostfreiem Stahl mit einer Stärke von etwa 2 mm bestehen. Der Napf ist zweckmäßig mit einem endseitigen Flansch versehen, durch welchen er an den Wanden des Hohlraums befestigt wird.
Die Hillsbrcnnkammer weist zweckmäßig eine erste Öffnung auf, die mit der Fackeldüsc in Verbindung steht, sowie eine zweite Öffnung, die mit der Zündeinrichtung verbunden ist. Um ein unmittelbares Abfangen des brennbaren Gemisches /wischen dem Venlilei'nlaß und der Hilfsbrennkammer zu vermeiden, ist die /weite Öffnung außer Flüchtling gegenüber der ersten öffnung und der Fackcldüse angeordnet. Die Zündeinrichtung besteht vorzugsweise ;uis einer Zündkerze, deren Elektroden derart angeordnet sind, daß ein unmiticlba-
res Abfangen des in die Hilfsbrennkammcr eingeführten brennbaren Gemisches vermieden wird.
Zweckmäßig verläuft die Achse der Fackeldüse nahe der Achse des Kolbens oder berührt diese an oder unter der Oberseite des Kolbens in dessen oberen Totpunkt.
Die Hauptverbrennungskammer ist vorteilhaft mit unsymmetrischem Querschnitt ausgebildet, wobei ihre maximale Höhe in einem Bereich an jener Seite der Achse des Zylinders liegt, die der Fackeldüse zugewandt ist.
Vorteilhaft ist die Anordnung derart ausgebildet, daß das dem Ventileinlaß zur Hilfsbrennkammer zugeführie brennbare Gemisch in Wärmeaustausch mit den Abgasen steht. Die Maschine weist vorzugsweise Einlaß- und Auslaßleitungen auf, die mit der Hauptbrennkammer in Verbindung stehen, mit einer Einlaßleitung, die in Verbindung mit der Hilfsbrennkammer steht, und einer ersten dünnwandigen metallischen Leitung zur Zuführung eines brennbaren Gemisches zur Einlaßleitung der Hilfsbrennkammer, mit einer zweiten dünnwandigen metallischen Leitung zur Aufnahme von Abgasen von der Auslaßleitung, wobei mindestens ein Teil der dünnwandigen, metallischen Leitungen miteinander im gegenseitigen Warmetausch steht, so daß das brennbare Gemisch in der ersten Leitung durch die Abgase in der zweiten Leitung erwärmt wird, und mit einem umgebenden Gehäuse mit verhältnismäßig starken Wänden, welche die Leitungen umgeben.
Eine erfindungsgemäßc Vienakt-Vcrbrcnnungskrafimaschine wird anschließend als Ausführungsbeispiel in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben; es zeigt
F i g. 1 eine teilweise im Querschnitt dargestellte Seitenansicht eines Teils der Maschine, wobei der Aufbau und die Anordnung der Brennkammern schematisch dargestellt sind.
Fig. 2. 3 und 4 Einzclqucrschnittc längs der Linien 2 - 2. 3 - 3 und 4 - 4 der F ig. 1.
F i g. 5 einen Querschnitt in größerer Darstellung, welcher den idtsächlichen Aufbau und die Anordnung der Brennkammern angibt.
Fig. 6 einen Teil der Fig. 5 in vergrößerter Darstellung.
F i g. 7 eine Seitenansicht, welche einen Abschnitt eines der in F i g. 1 gezeigten Teils der Maschine in vergrößerter Darstellung wiedergibt und
F i g. 8 eine graphische Darstellung, welche die folgenden Vorgänge beim Verbrennungsprozeß zeigt.
Die in der Zeichnung dargestellte Brennkraftmaschine besitzt einen Kolben 1, der eine bewegliche Wand der Hauptverbrennungskammer 2 bildet. Eine Fackeldüse 3 erstreckt sich zwischen der Hauptverbrennungskammer 2 und einer Hilfsverbrennungskammer 5. welch letztere mit einer Zündkerze 4 versehen ist. Der Einlaßkanal 6 zur Hauptkammer 2 wird durch ein Einlaßventil 9 gesteuert, während ein Einlaßkanal 7 zur Hilfskammer 5 durch ein Einlaßventil 10 gesteuert wird. Der Auslaßkanal 8 aus der Hauptverbrennungskammer 2 wird durch ein Auslaßventil 11 gesteuert. Die drei Ventile 9. 10 und 11 sind im Zylinderkopf angeordnet und werden durch herkömmliche Mittel, zu denen eine Nockenwelle 20 gehört, gesteuert.
Die durch den Luftreiniger 13 eintretende Luft wird mit Kraftstoff im Hauptvergaser 14 und im Hilfsvcrgaser 15 gemischt, und die auf diese Weise erhaltenen brennbaren Gemische nehmen ihren Weg durch die Haupteinlaßleitung 16 bzw. die Hilfseinlaßleitung 17. Der Vergaser 15 liefert an die Einlaßleitung 17 ein verhältnismäßig fettes Gemisch. Die Zündkerze 4
zündet das verhältnismäßig fette Gemisch in der Hilfskammer 5 und bewirkt das Hindurchtreten einer Flamme durch die Fackeldüse 3, um das verhältnismäßig magere Gemisch in der Hauptkammer 2 zu entzünden. Die Auspuffgase aus der Hauptkammer 2 nehmen ihren Weg durch den Auslaßkanal 8 und die Auslaßleitung 18 und dienen dazu, das fette brennbare Gemisch in der Leitung 17 zu erwärmen, um ein Kondensieren von Kraftstoff an den Wänden des Kanals 7 und der Hilfskammer 5 zu vermeiden. Die Auspuffgase aus der Auspuffleitung 18 gelangen über eine Leitung 19 in den Auspuffstutzen 21.
Die die Hauptverbrennungskammer 2 bildenden Teile, die Fackeldüse 3 und die Hilfsverbrennungskammer 5 sind in F i g. . schematisch dargestellt, während die eigentliche bevorzugte Ausführungsform dieser Teile in F i g. 5 gezeigt ist (das Haupteinlaßventil 9 ist aus F i g. 5 der übersichtlicheren Darstellung halber weggelassen).
Der Zylinderkopf 23 ist am Zylinderblock 12 durch herkömmlicnc nicht gezeigte Mittel unter Zwischenschaltung der üblichen Dichtung 24 befestigt. Die Hauptverbrennungskammcr 2 wird innerhalb des Zylinders 25 zwischen dem Boden des Kolbens 1 und der gekrümmten Fläche 26 begrenzt, die eine Ausnehmung im Zylinderkopf 23 bildet, welche dem Kolbenboden gegenüberliegt. Teile dieser Hauptverbrennungskammer 2 werden durch die Teller des Einlaßventils 9 und des Auslaßventils 11 gebildet. Die Ausnehmung im Zylinderkopf ist nicht symmetrisch, hat jedoch die größte Tiefe im Bereich der Fackcldüse 3. Die Ausnehmung hat eine kreisförmige Begrenzung, die mit der Zylinderbohrung 25 zusammenfällt und im wesentlichen die gleiche Größe hat.
Die Hilfsverbrennungskammer 5 isi durch einen dünnwandigen Napf 29 und eine Zündker/enausnehmung 28 begrenzt. Das .Spiel 48 /wischen dem Napf 29 und den gekrümmten Wänden 27 im Zylinderkopf 23 ist so klein, daß es eine vcrnachlässigbarc Wirkung auf d;is. Volumen hat. Der Teller des Ventils 10 bildet die eine Wand der Hilfskammer 5. Der Napf wird durch einen Endflansch 30 in seiner Stellung gehalten, der zwischen wärmeisolierenden Elementen 31 und 32 eingespannt ist. Der dünnwandige Napf 29 weist eine erste Öffnung 36 auf. die sich mit der Fackeldüse 3 in Ausfluchtung befindet, und eine zweite Öffnung 34. die mit der Zündkcr/enausnchmung 28 in Verbindung steh;.
Ein Teil des in die Hilfsverbrennungskammer 5 durch den Vergaser 15 eingeleiteten fetten Gemisches tritt in die Hauptverbrennungskammer dadurch ein. daß es durch die Fackeldüse 3 hindurchtritt und in dem mageren Gemisch der Hauptverbrennungskammer 2 dispergiert wird. Der Dispersionsgrad hängt hauptsächlich von der Geschwindigkeit des durch die Fackeldüse 3 hindurchtretenden fetten Gemisches ab. Das dispergier· te Gemisch in der Nähe der Fackeldüse strömt in die Hilfsverbrennungskammer 5 während des Verdich tungshubes des Kolbens 1 zurück. Es wurde festgestellt daß eine richtige Menge dieses Gemisches, das in dei Nähe der Fackeldüse am Ende des Verdichtungshube: bleibt und magerer als das Gemisch in dc-r Hilfsverbren nungskammer 5, jedoch fetter als das Cemisch in de Hauptverbrennungskammer 2 ist. eine wichtige Wir kung hat.
Dieser Teil des Gemisches wird bei bestimmte: Luftströmungsgeschwindigkeiten in die Haupt- uni Hilfsverbrennungskammer als »Gemischwolkc« bc zeichnet, und die Menge und das Gemischverhältnis de
Gemischwolke wird durch A (wie nachstehend definiert), das Kraftstoff-Luft-Verhältnis in dem der Hilfsverbrennungskammer (a.J, das Kraftstoff-Luft-Verhältnis in dem der Hauptverbrennungskammer zugeführten Gemisch ((Xm), das Hilfskammervolumcn (Vx) und den Fackeldüsenquerschnitt (FJ bestimmt. Von diesen Faktoren werden die Faktoren Vx und F1 durch die Bauform des Motors bestimmt, während A. ix., und λ,,, durch die Steuerung der Vergaser bestimmt werden.
Das Volumen der Hilfsverbrennungskammer 5 gegenüber dem Volumen der Hauptvcrbrennungskammer (gemessen, wenn sich der Kolben 1 am oberen Totpunkt befindet) ist wesentlich. Wenn das Volumen der Hilfsverbrennungskammer 5 im Vergleich zum Volumen der Hauptverbrennungskammer 2 zu groß ist. kann eine wirksame Verbrennung des mageren Gemisches in der Hauptverbrennungskammer nicht erwartet werden, da die Menge der Gcmischwolke. die am Ende des Verdichtungshubes gebildet worden ist. klein ist. Wenn andererseits die Hilfsverbrennungskammer 5 mit Bezug auf das Volumen der Hauptverbrennungskammer 2 zu klein ist. wird die Flammcnenergic durch die Fackcldüsc 3 so gering, daß das magere Gemisch innerhalb der Hauptverbrennungskammer 2 nicht vollständig verbrennt. Ils wurde festgestellt, daß das Volumen der Hilfskammer 5 zwischen 5% und 12% des gemeinsamen Gesamtvolumens tier Hilfskammer 5 und der Hauptkammer 2 bei im oberen Totpunkt befindlichem Kolben, wie in der Zeichnung gezeigt, betragen soll.
Ferner wird, wenn die Fackeldiise 3. welche die Hilfsverbrennungskammer 5 und die Hauplverbrennungskammer 2 miteinander verbindet, eine zu große Qucrschnittsflächc hat. die Strömung'geschwindigkeit des durch die I nckeklüsc hindurchtretenden Gemisches verringert, so daß der Grad der Gemischdispersion kleiner wird, und obwohl die Gemisehwolke reiati\ felter wird, ist ihre Menge zu gering. F.s kann daher eine wirksame Verbrennung des mageren Gemisches in der Hauptverbrennungskammer nicht erwartet weiden. Andererseits ist. wenn die Fackeldüse 3 eine zu kleine Querschnittsfläehe hat. die Blas- bzw. Strömungsgeschwindigkeit des durch die Fackeldiise hindurchtretenden Gemisches so groß, daß der Dispersionsgrad tics Gemisches extensiv wird und die Bildung einer wünschenswerten Gcmischwolke nicht erhalten wird. Fs wurde festgestellt, daß beste Ergebnisse erzielt werden, wenn die Querschnittsfläehe der Fackeldüsc 3 zwischen 0.04 cm- und 0.1b cm2 je cm! Volumen der Hilfsverbrennungskammer beträgt.
Eine vollständige Verbrennung des mageren Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Hauptverbrcnnungskammer 2 ist notwendig, um HC und CO in den Auspuffgasen so gering wie möglich zu halten, und dieses Merkmal der vollständigen Verbrennung wird durch die richtige Anordnung der Achse 35 der Fackeldüse 3 begünstigt. Es wurde festgestellt, daß sich gute Ergebnisse erzielen lassen, wenn die Achse 35 durch die Mitte der Kolbcnoberscite oder unmittelbar unterhalb dieser hindurchtrilt. wenn sich der Kolben am oberen Totpunkt befindet.
Das Verhältnis
Masse der in die Hilfskammer eingeleiteten Luft Masse der in dicHauptkammcr eingeleiteten Luft
wird durch die Vergaser 15 und 14 geregell, die miteinander in einer Weise gekoppelt sind, daß der gewünschte Wert für A für jeden Betriebszustand vom Leerlauf bis zur Vollgasbelastung des Motors erzeugt wird. Dieses Verhältnis verändert sich von der Lecrlaufstellung bis zur Vollgasstellung beträchtlich. Wie in F i g. 7 gezeigt, ist der Vergaser 15 mit einer Drosselklappe 39 versehen, die durch einen Arm 40 betätigbar ist. In ähnlicher Weise ist der Vergaser 14 mit einer Drosselklappe 41 versehen, die durch einen Arm 42 mittels eines Seils 43 betätigbar ist. Der Arm 42 ist mit einer Kurvenfläche 44 ausgebildet, gegen welche eine Kurvenfolgerolle 45 anliegt, die am Arm 40 gelagert ist. Eine Feder 46 hält die Rolle 45 in Kontakt mit der Kurvenfläche 44. Das Verhältnis des Öffnungsgrades der Hilfsdrosselklappe 39 im Vergleich zum Öffnungsgrad der Hauptdrosselklappc 41 wird durch die Gestaltung der Fläche des Kurvenelements 44 bestimmt. Die Winkelbewegungen der Hauptdrosselklappe 41 und der Hilfsdrosselklappe 39 während der anfänglichen Öffnungsstufen der Drosselklappen sind ähnlich. Wenn jcioch der Öffnungsgrad der Hauptdrosselklappc 41 zunimmt, verringert sich die Zunahmegeschwindigkeit des Öffnungsgrades der Hilfsdrcsselklappe 39 gegenüber dem Öffnungsgrad der Hauptdrosselklappc
Vor Beschreibung des Betriebs der Maschine ist es zweckmäßig, auf die Verbrennungsbedingungen einzugchen, die zu einer Verkleinerung der Abgascemissionen erforderlich sind.
Die Herabsetzung der Entstehung von NO, auf ein Mindestmaß geschieht dadurch, daß die Spitzenverbrennungstemperatur verringert wird. Die mittlere Verbrennungstemperatur wird andererseits für eine lange Dauer so hoch wie möglich gehalten, um die Emission von HC so gering wie möglich zu halten. CO-Emissionen werden dadurch aiii einem Mindestmaß gehalten, daß überschüssiger Sauerstoff in dem brennbaren Gemisch aufrechterhalten w ird.
Hinsichtlich der Herabsetzung des Entstehens von NO, sollte die maximale Verbrcnnungstcmpcratur unter den meisten Betriebsbedingungen so geregelt werden, daß sie etwa 1200 C nicht überschreitet. Hierzu ist die maximale Verbrennungstempcraiur bei herkömmlichen Viertakt-Benzinmotoren gegenüberzustellen. die 1200 C unter Bedingungen relativ hoher Belastungen weit überschreitet.
Was die Herabsetzung der Emission von HC auf eir Mindestmaß betrifft, so verbrennt das brennbare Gemisch benachbart den Zylinderwänden von verhak nismäßig niedriger Temperatur nicht vollständig, auch nicht, wenn ein herkömmlicher Motor unter den bester Betriebsbedingungen betrieben wird. Die Oxidation vor HC wird begünstigt, wenn die Vcrbrennungstemperatui etwa 800 C überschreitet. Die Verbrennungstempera tür erreicht bei einem herkömmlichen Viertakt-Bcnzin motor rasch einen hohen Wert nach der Zündung de: Gemisches und fällt rasch ab. wenn sich die Verbren nungsgase entspannen. Die hohe Temperatur, be welcher die Oxidation von HC aktiv stattfindet, ist dahe von sehr kurzer Dauer, so daß unverbrannte Kohlen Wasserstoffe (HC) von der Nähe der Zylinderwändi abgeleitet werden. Daher sollte, um HC-Emissioncn au ein Mindestmaß herabzusetzen, die maximale Verbren nungstemperatur im Z\linder auf einem vcrhältnismä Big hohen Wert und solange wie möglich gchaltc werden.
Die CO-Emission wird auf ein Mindestmaß herabuc slmzI. wenn d.is brennbare Gemisch magerer als da
stöchiometrische Kraftstoff-Lul't-Verhältnis ist. Kin solches mageres Gemisch zündet jedoch sehr schlecht, was zu einem unstabilen Motorbetrieb führt, und im Extremfall kann das in einen Zylinder eingeleitete Gemisch ohne Verbrennung abgeleitet werden. Um CO-Emissionen auf ein Mindestmaß herabzusetzen, muß daher der Verbrennungsprozeß so verbessert werden, daß der Motor in stabiler Weise mit einem sehr mageren brennbaren Gemisch betrieben werden kann.
Die Notwendigkeit zur Regelung der NO,-Emissionen ist am größten, wenn der Motor unter Bedingungen schwerer Belastungen betrieben wird, während die Notwendigkeit zur regelung der HC-Emissionen am größten ist, wenn der Motor im Leerlauf ist oder unter Bedingungen geringer Belastung betrieben wird.
Die vorerwähnten Erfordernisse hinsichtlich Zeit und Temperatur für das Erzielen geringstmöglicher Emissionen von NOv, HC und CO machen eine extrem langsame Verbrennungsgeschwindigkcit des brennbaren Kraftstoff-Luftgemisches notwendig. Ferner muß eine sehr starke Zündenergiequelle zur Verbrennung des extrem mageren brennbaren Gemisches vorgesehen werden. Außerdem muß die Flammenausbreitungsgeschwindigkeit entsprechend der Belastung des Motors geregelt werden, um die gewünschte Verbrennungstemperaiur zu erzielen.
Im Betrieb des Motors wird beim Ansaughub ein mageres Gemisch in die Hauptverbrcnnungskammcr aus dem Vergaser 14 über das Einlaßventil 9 angesaugt und gleichzeitig wird ein fettes Gemisch in die Hilfsverbrcnnungskanimcr 5 aus dem Vergaser 15 über das Hilfseinlaßventil 10 angesaugt. Beim Saughub wird fettes Gemisch in der Hilfsverbrennungskammer 5 in die Hauptverbrennungskanimer 2 durch die Fackeldüsc 3 gesaugt. Beim Verdichtungshub fließt mageres Gemisch aus der Hauptverbrennungskammer 2 in die Hilfsverbrennungskammer 5 in umgekehrte!- Richtung durch die Fackelduse 3. so daß das Krat'tsioff-Luft-Vcrhältnis des brennbaren Gemisches in der Kammer 5 zum Zeitpunkt der Zündung magerer isi als es vorher aus dem Vergaser 15 erhalten wurde. Andererseits besteht die Neigung, daß das Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Hauptverbrennungskammer 2 /um Zeilpunkt der Verbrennung fetter als das Gemisch wird, welches von dem Hauptvergascr 14 geliefert wird. Der Grad einer solchen Veränderung im Kraftstol'f-Luft-Verhältnis in der Haupt- und in der Hilfsverbrennungskammer wird durch das Verhältnis zwischen den Mengen des mageren und des fetten Gemisches bestimmt, die in die beiden Verbrennungskammern gesaugt werden. Daher muß. wenn die Brennkraftmaschine ständig mit einem Gemisch von dem gewünschten Kraftstoff-Luft-Verhältnis betrieben werden soll, der Wert des Öffnungsverhältnisses zwischen der Haupt- und der Hilfsdrosselklappc 41 bzw. 39 verändert werden, um das Verhältnis zwischen der Gemischmenge für die Hauptverbrennungskammer und die Hilfsverbrennungskammer fur verschiedene Drosselklappenöffnungen /u verändern.
Hieraus ergibt sich, daß das Öffnungsvcrhaltms zwischen der Hauptdrosselklappe 41 und der Hilfsdros selklappe 39 in ihren Teilöffnungsbereichen im wesentlichen konstant gehalten werden kann, um das Gemisch in der Hilfsverbrennungskammer 5 verhältnismäßig fett zu machen und dadurch seine Zündfähigkeit zu verbessern, während in den größeren Öffnungsberei chen der Haupt- und der Hilfsdrosselklappe die Zunahme im Öffnungsgrad der Hilfsdrosselklappc 39 mit Bezug auf denjenigen der Hauptdrosselklappe 41
verringert wird, so daß das Gesamt-Krafistoff-Luft-Ve.rliältnis mager gemacht wird, um eine zufriedenstellende Verbrennung sicherzustellen.
Es ist wünschenswert, daß die Verbrennungsgeschwindigkeit in der Hauptkammer 2 außergewöhnlich niedrig ist, so daß eine übermäßige Verwirbelung vermieden werden muß, für welchen Zweck der Hohlraum im Zylinderkopf, der durch die Wand 26 begrenzt wird, einen maximalen Durchmesser hat. der praktisch der gleiche wie der Durchmesser der Zylinderbohrung 25 ist. Daher ist, wenn der Kolben den oberen Totpunkt erreicht, kein »Squish«-Bereich vorhanden, aus dem das Gas am Ende des Verdichtungshubes heftig ausgetrieben werden muß.
Der dünnwandige Napf 29 ist vorzugsweise aus einem hitzebeständigen Werkstoff, wie korrosionsbeständiger Stahl, hergestellt und braucht nur eine Dicke von etwa 2 rnm /u haben. Mit Ausnahme der Zündker/enausnehmung 28 bildet der dünnwandige Napf 29 im wesentlichen die äußere Begrenzung der Hilfsverbrennungskammer 5. Ocr Napf 29 ist so ausgebildet und angeordnet, daß er wahrend des Betriebs des Motors über den größten Teil seiner Länge heiß bleibt: der Napf hat keinen Kontakt mit den Wänden des Zylinderkopfes 23. der durch Wasserkanäle 47 gekühlt wird. Wenn gewünscht, kann der Kaum 48 zwischen dem dünnwandigen Napf 29 und den umgebenden Wänden 27 des Zvlinderkoples mit einem wärmeisolierenden Material ge·Ulli werden. Gute Ergebnisse wurden jedoch auch er/ielt. wenn dieser Raum leergelassen wurde. Der dünnwandige Napf hat eine geringe Wärmekapazität und ist von den Moiorw änden wärmeisoliert, so daß. wenn der Motor angelassen wird, der dünnwandige N;pl sofort erwärmt und dann wahrend des Motorbetriebs auf einer verhältnismäßig hohen Temperatur gefallen wird. Der heiße Napf verhindert die Kondensation von Kraftstoff, w eiche;· durch da1· Ventil 10 in ·.!··: Hillsverbrennungskammer 5 eingelassen wurde.
Das Auspuffgas ist im Vergleich zu einem herkömmlichen Motor von einer höheren Temperatur und enthält überschüssigen Sauerstoff so daß innerhalb der Auspuff-Anlage Oxidationsreaktionen stattfinden, i eine ■ wird, um das Einlaßgemisch noch vollständiger /u ve-damplen als es bei herkömmlichen Motoren der I all ist. der Hilfseinlaßkanal. der /um Ventil 10 fuhrt, auf eirer höheren Temperatur gehalten. Unmittelbar η ich den Anlassen des Motors erwärmt sich die Auspuff-Sammelleitung, welche Wärme da/u verwendet wird, die Qualität des der Hilfsverbrennungskammer 5 zugefuhrtcn Gemisches /u verbessern. Um die Temperatur des fetten brennbaren Gemisches zwischen 140'T unu 3^0 C zu dem Zeitpunkt /ti halten, an welchem es die Hilfsverbrennungskammer 5 erreicht, wird das fette Gemisch in einem Wärmeaustauschverhältnis mit den Auspuffgasen geleitet Die Temperatur soll 350 C nicht überschreiten, um eine Frühzündung /u verhindern, aber e·- kann ohne Überschreiiuna dieser Temperatur erreicht werden, daß lm wesentlichen der gesamte Kraftstoff mi fetten Gemisch verdampft bevor er in die "!^verbrennungskammer eintritt. Es ist vorteilhaft, die Auspuffleitung und die Einlaßlciiune für die Hilfskammcr 5 als bauliche 1 inheii herzustellen um sie so dünn wie möglich fur einen maximalen Wärmeübergang zu ™r Cn· ?a dlc Auspuffleitung sich jedoch auf etwa WK) L wahrend des Motorbetriebs erwärmt, nimmt ihre l-estigkcit ab. so daß su. eine mechanische Beschädigung erfahren kann. Ferner besteht die Gefahr, daß durch die durch Strahlung und a if andere Weise auf die Vergaser
übertragene Wärme den Kraftstoff innerhalb der Vergaser zum Sieden bringt, was zu einem fehlerhaften Betrieb führt.
Wie sich am besten aus Ki g. t bis 4 ergibt, haben die Einlaßleitung 17 für fettes Gemisch und die Auspuffleitung 18 eine gemeinsame Wand 50. die aus einem verhältnismäßig dünnen Metall zur Begünstigung des Wärmeübergangs besteht. Die gemeinsame Wand 50 wird durch die Vereinigung von Teilen der Leitungen 17 und 18 gebildet, wie in Fig. 2 und 3 gezeigt. Ein verhältnismäßig dickwandiges Gehäuse 51 umschließt die dünnwandigen Wärmeiibergangsleitungen 17 und 18 im Raum 54, und das Gehäuse ist durch herkömmliche Mittel an demjenigen Teil des Zylinderkopfes 23 befestigt, der mit Einlaß- und Auspuffleitungcn verschen ist. Das Gehäuse schützt die heiße dünnwandige Wiirmeübergangs-Auskleidung vor den zerstörenden Schwingungen von Motor und Fahrzeug. Die Hilfseinlaßleitung und -Auslaßlciiung sind kurz, vor dem Verbindungspunkt mit dem Zylinderkopf getrennt, um die Wärmc'-pannungen /w absorbieren und einen sicheren Fahrzeugbetrieb zu gewährleisten.
Die Stellung der Zündkerze 4 ist so gewählt, daIi ihre Elektroden 49 außerhalb der Bahn des fetten Gemisches angeordnet sind, das in das Innere des Naples 29 zwischen dem Ventil 10 und dessen stationären Sitz eintritt. Auf diese Weise sind die Elektroden 49 gegen einen auf ihnen kondensierenden Kraftstoff aus dem fetten Gemisch geschützt. Die Zündkerzenelektroden sind lerner so angeordnet, daß keine direk:c »Sicht 11 nien«-Bahn durch die I aekeklüse 3 und die \ap!'ö"fnungen 36 und 34 zu den Elektroden besteht. Aul diese Weise bewirkt die kräftige i.ul'.si:ömung. die von eier Hauptkammer 2 zur Hiifskammer 5 während des Verdichtungshubes des Kolbens 1 stattfinde!, keinen solch starken Gasstrahl, daß eine Fehlzündung dadurch auftreten könnu·. daß der Funke zwischen den Elektroden 49 ausgeblasen wird. Die Achse 35 der Fackeldüse 3 isl zum oberen Teil der Hillsbrennkammer 5 gerichtet, während die Mitte der Öffnung 34. die mit der Zündkerzcnausnehmung 28 in Verbindung steh;. versetzt gegenüber dieser Achse angeordnet ist. Die Zündkerze 4 erzeugt daher ihren Funken ohne die Gefahr, daß er ausgeblasen wird.
Fs ist wichtig, daß die Querschnittsfläche der Fackeklüse 3 größer ah die Querschniitsfläche der Venturidüse 37 im Vergaser 15 für die Hilfsv erbren nungskammer 5 ist. Wenn der Motor mit bzw. rahezi; mit Voilasi betrieben wird, soll die Menge des leiten brennbaren Gemisches, das der Hilfsverbrennungskanv mer 5 zugeführt wird, durch die Größe der Venturidüse 37 bestimmt worden, und in ähnlicher Weise soll die Menge mageren brennbaren Gemisches, das der Hauptverbrennungskammer 2 zugeführt w π d durch die Größe der Venturidüse 38 bestimmt werden Die Innenwände der Fackclduse 3 unterliegen nach einer Betnebspcriode ei.ier Kohlcanlagerung. Eine Verkleinerung tier Große der Fackeldüse 3 durch Kohleanlagc rung wiirde zu einer Beschrankung der Menge leiten brennbaren Gemisches fuhren, das die Hilfsverbren· nungskammer 5 erreichen kann, falls der Querschnitt der Fackeldüse niclit ausreichend groß bemessen ist. um eine derartige Anlagerung zuzulassen. Durch diese Beschränkung würde der richtige Ausgleich zwischen dem durch den Vergaser 15 zugeführten fetten Gemisch und dem durch den Vergaser 14 zugeführten mageren Gemisch gestört. Die Quersehnittsfläche der Fackeldüse 3 wird daher größer als die Quersehnittsfläche der Venturidüse 37 im Vergaser 15 gemacht, und zwar um einen Betrag, durch welchen die Kohleanlagerung berücksichtigt wird.
Die graphische Darstellung der F i g. 8 zeigt Einzelheiten des Verbrennungsprozesses im Betrieb des erfindungsgemäßen Motors. Die graplMsche Darstellung zeigt die Druck- und Temperaturkurven des Verbrennungsgases in der Hauptbrennkammer 2 für jede Winkelstellung der Kurbel, wenn geeignete Kraftstoff-Luft-Gemische sowohl der Haupt- als auch der Hilfsverbrennungskammcr zugeführt werden. Die Temperaturen beziehen sich auf die Temperaturwerte, die an dem in F i g. 5 gezeigten Punkt »7"« oder in dessen Nähe auftreten.
Der Punkt Λ auf der Druckkurve zeigt den Beginn-Punkt der Druckausbreitung zur Hauptverbrennungskammer 2. welcher Druck in der Hiifskammer 5 erzeugt wird, nachdem das fette Gemisch gezündet hat. Dieser Druckanstieg setzt sich bis zum Punkt /ifort.
Der Punl· ι A auf der Temperaturkurve entsprich) dem Punk'. \ auf der Druckkurve. Das geringe Temperaturniveau am Punkt A bedeutet, daß bis zu diesem Zeitpunkt die Flamnienfront die Hauptverbrennungskammer nicht erreicht hat. Der Punkt B auf der 1 cniperaturkurv e entsprich; dem Punkt B auf der Druckkurve wenn die Gastemperauir in der Hauptverbrennimgskammer angestiegen ist. nachdem die Flam menausbreiiung zur llaupt\ erbrennungskammer aus der HiIKn erb ι emumgskammer stattgefunden hat. Mit anderen Worten, die Verbrennung in tier Hüfskammcr 5 ist am Punkt B b/w. B abgeschlossen, und die Flammonfront hat si..h π da*. Krafistoff-I .uft-Gemisch iti der Ilaupikammer m der Nähe der Fackeklüse 3 lorigepflan/t.
Die Verbrcnuungsgeschw indigkeit bis /um Punkt ( m.i\imalen Druckes ist verhältnismäßig hoch, was zu einen raschen Temperaturanstieg /wischen den Punkten B und (."lührt. Nach dem Maximum am Punkt c nimmt, wenn der Kolben seme Abwärtsbewegung begonnen hai. der Druck ebenfalls ab. Die Temperatui steigt iedoch nach dem Punkt C weiter .·.;!. wabedeutet, dab die Verbrennung alles brennbarer Gemisches in der Haupikammer 2 noch n\iv abgeschlossen ist und das restliche Gemisch währerk des Abw äriskolbenhubes mit einer geringen Geschwindigkeit weuerhrennt.
Der üroße Unterschied der Verbreniiungsgcschw in digkeit unmittelbar vor dem Punkt C" im Vergleich /ι der nach dem Punkt C ist durch den Unterschied de Kraftstoff Luft Verhältnisses im brennbaren Gemiscl in der Hauptverbrennungskammer 2 in der Nähe de Fackeldüse 3 bedingt Die Verbrennung in de Hauptkammtr 2 dauert wahrend des Abwartshubes de Kolbens an. was die Höchsttemperatur am Punkt Π ergibt. An diesem Punkt des Kolbenhubes ist da Volumen der Hauptverbrennungskammer extrem groi: so daß die maximale Verbrennungstemperattir wesent lieh niedrig im Vergleich zu der der herkömmlichei Brennkraftmaschine gehalten wird, bei welcher dii Höchsttemperatur nicht später als 20 bis 30 nach den oberen Totpunkt auftritt Der Punkt D bzw. D heg etw a 90 nach dem oberen Totpunkt TDC '.
Der Punkt F zeigt den Öffnungspunkt des Auspuff veniils Die entsprechende Temperatur ist am Punkt / gezeigt, die wesentlich höher als diejenige eine herkömmlichen Viertakt-Brennkraftmaschine ist. Fer ner ist der sehr langsame Temperaturabstieg nach der Punkt D erkennbar, was bedeutet, daß das restlich
13 I
Gemisch in der Hauptkümmer 2 während des Auspuffhubes des Kolbtns weiterbrennt.
Die Temperaturkurve zeigt, daß zum Oxidieren der kohlenwasserstoffe eine längere Zeit zur Verfugung steht, als bei den herkömmlichen Motoren möglich ist. und daß das Hochtemperatur-Auspuffgas wirksam zum Vorwärmen des Einlaßgemisches und zum Oxidieren der noch unverbrannten Kohlenwasserstoffe im Auspuffsystem verwendet werden kann.
Physikalische Versuche, die bei erfindungsgemäßen ι ο Motoren für Kraftwagen durchgeführt wurden, haben gezeigt, daß die Emission von NO1, HC und CO in den Auspuffgasen wesentlich niedriger als die Höchstwerte liegen, die für 1975 durch die »United States Environmental Protection Agency« nach dem »Clean Air Act« als zulässig bezeichnet worden sind.
Es ist offensichtlich, daß die Erfindung sowohl bei Einzylinder- wie auch Mehrzylindermaschinen Verwendung finden kann und daß im letzteren Falle eine einzige Zuführung eines fetten Gemisches (beispielsweise ein Vergaser) und eine einzige Zuführung eines mageren Gemisches (beispielsweise ein weiterer Vergaser) zur Einspeisung des brennbaren Gemisches in eine Anzahl von Zylindern verwendet werden könnten.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (20)

Patentansprüche:
1. Viertakt-Hubkolben-Brenr.kraftmaschine mit Fremdzündung, bei welcher jedem Zylinder eine Hauptbrennkammer zugeordnet ist, in die ein verhältnismäßig mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch eingeführt wird, und eine Hilfsbrennkammer zugeordnet ist, in die ein verhältnismäßig fettes Gemisch eingeführt wird, wobei die Hauptbrennkammer teilweise durch den zugeordneten Arbeitskolben begrenzt ist und über eine Fackeldüsenöffnung von bestimmter Querschnittsfläche in Verbindung mit der Hilfsbrennkamnier steht, mit einer Einlaß- und einer AuslaCventileinrichtung für is die Hauptbrennkammer, einer Hilfseinlaßventileinrichtung für die Hilfsbrennkammer und einer Einrichtung zur Zündung des Gemisches in der Hilfsbrennkammer, deren Volumen ein bestimmter kleiner Anteil des vereinigten Volumens der vom im oberen Totpunkt stehenden Arbeitskolben begrenzten Hauptbrennkammer und der Hilfsbrennkammer ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil zwischen 5 und 12% beträgt und daß die Querschnittsfläche der Fackeldüsenöffnung (3) zwisehen 0,04 und 0,20 cm- — vorzugsweise zwischen 0,04 und 0,16 cm- — pro cm5 der Hilfsbrennkammer (5) beträgt.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschniusfläche der Fackddüsenöffnung (3) über mindestens einen Teil ihrer Länge im wesentlichen konstant ist.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaß- und Auslaßventil· einrichtung für die Hauptbrennkammer (2) aus einem einzigen Einlaßventil (9) und einem einzigen Auslaßventil (11) besteht.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die Gemischzufuhreinrichtung (15, 37; 14, 38) einen eisten Vergaser (15) aufweist, welcher zur Zuführung eines Gemisches zur Hilfsbrennkammer (5) dient sowie einen zweiten Vergaser (14), welcher zur Zufuhr eines Gemisches zur Hauptbrennkammer(2)dient.
5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der erste (15) wie auch der zweite (14) Vergaser eine Drosselklappe (39, 41) aufweist und daß eine Einrichtung (40,42, 43, 44, 45, 46) zur gleichzeitigen Bewegung beider Drosselklappen (39, 41) und zur Koordination der so Bewegung der Drosselklappen (39, 41) in solche: Weise vorgesehen ist, daß sie sich zwischen Leerlauf- und Vollaststellung mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten derart bewegen, daß das gesamte Luft-Kraftstoff-Gemisch im Leerlauf fetter als bei ss Vollast ist.
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (40, 42, 43, 44, 45, 46) einen Nocken (44) und ein Nockcnfolgeelement (45) aufweist. <«■
7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5 oder 6. dadurch gekennzeichnet. daß ein einziges Betätigungselement (43) zur Betätigung beider Drosselklappen (39,41) vorgesehen ist.
8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche (\s 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Vergaser (14,15) einen Venturi-Bereich aufweist und daß die Querschnittsflache der Fackeldüsenöffnung
(3) größer als die Querschnittsfläche des Venturi-Be reichs des ersten Vergasers (15) ist.
9. Brennkraftmaschine nach einem der Anspruch« 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsbrenn kammer (5) innerhalb eines Hohlraums (?7) ausgebil det ist und einen dünnwandigen metallischen Nap! (29) geringer Wärmekapazität aufweist, welche! innerhalb des Hohlraums (27), aber im Abstand vor den Wänden desselben angeordnet ist und weichet eine öffnung (36) aufweist, die mit der Fackeldüse (3; in Verbindung steht.
10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Napf (29) aus wärmefestem Material mit einer Stärke von etwa 2 mm besteht.
11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Napf (29) uus rostfreiem Stahl besteht.
12. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Napf (29) einen endseitigen Flansch (30) besitzt, durch welchen er an den Wänden des Hohlraums (27) befestigt wird.
13. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8. dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsbrennkammer (5) eine erste Öffnung (36) aufweist, die mit der Fackeldüsc (3) in Verbindung steht, sowie eine zweite Öffnung (34). die mit der Zündeinrichtung (49) verbunden ist.
14. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß. um ein unmittelbares Abfangen des brennbaren Gemisches zwischen dem Ventilcinlaß (10) und der Hilfsbrennkammer (5) zu vermeiden, die zweite Öffnung (34) außer Fluchtung gegenüber der ersten Öffnung (36) und der Fackeldüse (3) angeordnet ist.
15. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündeinrichtung (49) aus einer Zündkerze besteht, deren Elektroden derart angeordnet sind, daß ein unmittelbares Abfangen des in die Hilfsbrennkammer (5) eingeführten brennbaren Gemisches vermieden wird.
16. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (35) der Fackeldüse (3) nahe an der Achse des Kolbens (1) verläuft oder diese an oder unter der Oberseite des Kolbens (1) in dessen oberen Totpunkt berührt.
17. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptbrennkammer (2) einen unsymmetrischen Querschnitt aufweist und ihre maximale Höhe in einem Bereich besitzt, der an jener Seite der Achse des Zylinders (25) liegt, die dt Fackeldüse (3) zugewandt ist.
18. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Ventileinlaß (10) zur Hilfsbrennkammer (5) zügeführte fette brennbare Gemisch in Wärmeiaiisch mit den Abgasen stein.
19. Brennkraftmaschine mich Anspruch 18. gekennzeichnet durch Einlaß- und Auslaßleitungen (6, 8) welche mit der Hauptbrennkammer (2) in Verbindung stehen, mit einer Einlaßlcitung (7), die mit der Hilfsbrennkammer (5) in Verbindung steht, mit einci ersten dünnwandigen metallischen Leitung (17) zur Zuführung eines brennbaren Gemisches zur Einlaßleitung (7) der Hilfsbrennkammer (5). mit
einer zweiten dünnwandigen metallischen Leitung (18) zur Aufnahme von Abgasen von der Auslaßleitung (8), wobei mindestens ein Teil der dünnwandigen metallischen Leitungen (17. 13) im gegenseitigen Wärmetausch miteinander steht, so daß das brennbare Gemisch in der ersten Leitung (17) durch die Abgase in der zweiten Leitung (18) erwärmt wird, und mit einem umgebenden Gehäuse (51) mit verhältnismäßig dicken Wänden, welche die Leitungen (17,18) umgeben. |0
20. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Minderung von Wirbeln in der Hauptbrennkammer (2) der Durchmesser der Hauptbrennkammer (2) nächst der Zyiinderbohrung (25) im wesentlichen der ι ς gleiche ist wie der Durchmesser der Zylinderbohrung (25).
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