DE2337509A1

DE2337509A1 - Verbrennungsverfahren fuer eine viertakt-brennkraftmaschine mit fremdzuendung

Info

Publication number: DE2337509A1
Application number: DE19732337509
Authority: DE
Inventors: Robert Happel
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1973-07-24
Filing date: 1973-07-24
Publication date: 1975-02-13

Description

Daimler-Benz Aktiengesellschaft Daim 9662/4

Stuttgart-Untertürkheim 20.JuIi 1973

Patentanmeldung

"Verbrennungsverfahren für eine Viertakt-Drennkraftmaschine mit Fremdzündung¹¹

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verbrennungsverfahren für eine Viertaktbrennkraftmaschine mit Fremdzündung, bei dem im Ansaugtakt über verschiedene mit Einlaßventilen versehene Kanäle sowohl ein kraftstoffreiches Luftkraftstoffgemisch als auch Luft oder ein kraftstoffarmes Gemisch angesaugt wird, wobei gegen Ende des Verdichtungstaktes die Ladung im Dereich des Einlasses für das kraftstoffreiche Gemisch gezündet wird.

Durch dieses bei einer bekannten Brennlcraftmaschine (DT-OS 2 039 462) angewandte Verfahren soll durch die damit erzielte Ladungsschichtung eine möglichst vollkommene Verbrennung bei guter Zündfähigkeit des Gemisches verwirklicht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dieses Verfahren durch eine weitergehende Beeinflussung des Verbrennungsablaufes zu verbessern und dabei den in den Abgasen enthaltenen Anteil an Schadstoffen wie Kohlenmonoxyd, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Stickoxyde auf minimale Werte herabzusetzen, ohne daß dabei der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine beeinträchtigt wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß da-

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durch gelöst, daß bei Verwendung eines Doppelkolbenmotors mit mindestens einem in einer Maschinenquerebene auf einen Kurbelzapfen arbeitenden Kolbenpaar im Ansaugtakt der erste, voreilende Kolben das kraftstoffreiche Gemisch in den ersten Zylinder und der zweite, nacheilende Kolben die Luft oder das kraftstoff arme Gemisch in den xv/eiten Zylinder saugt, im Verdichtungstakt ein die beiden Zylinder miteinander verbindender Überströmkanal geschlossen wird und ein Teil der Luft oder des kraftstoffarmen Gemisches des zweiten Zylinders in einen an den Überströmkanal angeschlossenen Speicher gedruckt wird, während kurz vor dem oberen Totpunkt das kraftstoffreiche Gemisch bei geschlossenem Überströmkanal gezündet wird, im Arbeitstakt in einer ersten Stufe ein Teil des unter Zünddruck stehenden und bei Luftmangel verbrennenden kraftreichen Gemisches durch den sich öffnenden Überströmkanal in den Speicher und den zweiten Zylinder strömt und dort bei Luftüberschuß weiterverbrennt und in einer zweiten Stufe ein Teil der einen Luftüberschuß aufweisenden Gase des Speichers und des zweiten Zylinders bei voreilendem ersten Kolben in den ersten Zylinder strömt und dort mit den mit unverbranntem Kraftstoff angereicherten Gasen vermischt wird und dabei dessen vollständige Verbrennung ermöglicht und im Auspufftakt die Abgase aus beiden Zylindern ausgeschoben werden. Auf diese Weise wird durch die Verwendung eines Doppelkolbenmotors mit einem absperrbaren Überströmkanal zwischen den beiden Zylindern jedes Kolbenpaares eine zeitweilige Trennung verschiedener Laduii^santeile ermöglicht und im Zusammenwirken mit einem Speicher durch einen genau festgelegten stufenweisen Verfahrensablauf eine nahezu vollkommene und schadstoff freie Verbrennung erzielt.

Nach der Erfindung werden die Luft oder das kraftstoffarme Gemisch höher verdichtet als das kraftstoffreiche Gemisch.

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Diese Maßnahme ermöglicht die Verwendung eines Kraftstoffes niedriger Oktanzahl und erhöht gleichzeitig den Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine. Außerdem erleichtern die unterschiedlichen Verdichtungsverhältnisse bei geöffnetem Überströmkanal die Vermischung der verschiedenen Ladungsanteile und fördern dadurch eine gute Verbrennung des Kraftstoffes.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der Beschreibung angegeben.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch den Zylinderkopf und den Zylinderblock einer als Doppelkolbenmotor ausgebildeten Viertakt-Brennkraftmaschine nach der Linie I-I der Fig. 3,

Fig. 2 einen Schnitt durch den Zylinderkopf und einen Teil des Zylinderblockes dieser Maschine nach der Linie II-II der Fig. 3 bei einer anderen Kolbenstellung,

Fig. 3 einen Schnitt durch einen Teil des Zylinder-Kopfes dieser Maschine nach der Linie IH-III der Fig. 1 und

Fig. k das Steuerdiagramm dieser Maschine.

Bei der als Doppelkolben ausgebildeten Viertaktbrennkraftmaschine arbeiten in mehreren Maschinenquerebenen jeweils ein Kolbenpaar aus einem ersten Kolben 11 und einem zweiten Kolben 12 über ein gemeinsames Gabelpleuel I3 auf einen Kur-

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beizapfen l4 einer nicht weiter dargestellten Kurbelwelle· Der erste Kolben 11 und der zweite Kolben 12 sind in einem ersten Zylinder 15 bzw. einem dazu parallelen zweiten Zylinder 16 des Zylinderkurbelgehäuses 17 geführt. Ein Zylinderkopf l8 deckt beide Zylinder 15 und l6 nach oben ab. Im Zylinderkopf l8 sind für den Zylinder 15 ein Einlaßkanal 19 und ein Auslaßkanal 20 sowie für den Zylinder 16 ein Einlaßkanal 21 und ein Auslaßkanal 22 angeordnet. Der Auslaßkanal 20 des Zylinders 15 und der Auslaßkanal 22 des Zylinders 16 münden innerhalb des Zylinderkopfes 18 in einen gemeinsamen Mischkanal 23. In die Einlaßkanäle 19 und 21 sowie die Auslaßkanäle und 22 ragen übliche, durch Federn 24 in die Schließstellung gedrückte Einlaßventile 25 und 26 bzw. Auslaßventile 27 und 28. Die beiden Einlaßventile 25 und 26 sowie die beiden Auslaßventile 27 und 28 sind durch in Führungshülsen 29 axial schiebbar gelagerte Drücken 30 bzw. 3I verbunden. Dadurch können die Einlaßventile 25 und 26 sowie die Auslaßventile 27 und 28 jeweils zusammen durch entsprechende Nocken 32 einer Nockenwelle 33 betätigt werden. In den Einlaßkanal 19 des Zylinders 15 mündet eine Kraftstoffeinspritzdüse 34 eines Niederdruck-Einspritzsystems. In den Verdichtungsraum des Zylinders 15 ragt eine Zündkerze 35·

Der Zylinder 15 und der Zylinder l6 sind durch einen Überströmkanal 36 miteinander verbunden, der durch ein zentral angeordnetes Überströmventil 37 geschlossen oder geöffnet werden kann. Das Überströmventil 37 besteht im wesentlichen aus einem in einer Bohrung 38 geführten Ventilkolben 39 und aus einem Ventilsitz 40 im Überströmkanal 36. Der Ventilkolben 39 wird durch eine Druckfeder 4l in die den Überströmkanal 36 öffnende Stellung gedrückt. Die Druckfeder 4l ist in einer am Zylinderkopf 18 angeordneten Hülse 42 untergebracht und stützt sich mit ihren beiden Enden am Boden 43 der Hülse

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42 bzw. an einem mit dem Ventilkolben 39 durch eine Stange verbundenen Federteller 45 ab. Ein Nocken 46 kann über einen in der Hülse 42 geführten Stößel 47, den Federteller 45 und die Stange 44 den Ventilkolben 39 in die den Überströmkanal 36 schließende Stellung drücken, in der der Ventilkolben am Ventilsitz 40 anliegt. Der Nocken 46 ist auf der Nockenwelle 33 für die Einlaß- und die Auslaßventile 25 bis 28 angeordnet, so daß eine zusätzliche Nockenwelle nicht nötig ist. Bohrungen 48 im Ventilkolben 39 entlüften den hinter diesem liegenden Raum der Bohrung 38.

An den Überströmkanal 36 ist im Bereich des Zylinders l6 ein Luftspeicher 49 so angeschlossen, daß dieser stets mit dem Zylinder l6 in Verbindung steht. Der bei geschlossenem Überströmventil 37 von dem Zylinder l6, dem Luftspeicher und dem diese verbindenden Abschnitt des Überströmkanales gebildete Verdichtungsraum ist so ausgelegt, daß im Zylinder l6 ein höheres Verdichtungsverhältnis als im Zylinder I5 erreicht wird. Der Luftspeicher 49 mündet in den Überströmkanal 36 in Richtung auf den Zylinder 15 ein, so daß Gase aus dem Luftspeicher 49 bei geöffnetem Überströmventil 37 leicht über einen Abschnitt des Überströmkanales 36 in den Zylinder I5 einströmen können.

Die als Doppelkolbenmotor ausgebildete Brennkraftmaschine arbeitet nach dem Viertakt-Verfahren, dessen Steuerzeiten im Verhältnis zum Umdrehungswinkel der Kurbelwelle in dem in Fig. 4 dargestellten Steuerdiagramm angegeben sind. Das Steuerdiagramm gilt gleichzeitig für beide Zylinder 15 und l6 eines Kolbenpaares 11/12, da sowohl die Einlaßventile 25 und 26 als auch die Auslaßventile 27 und 28 durch die Verwendung der Brücken 30 bzw. 3* jeweils gemeinsam betätigt werden und

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damit gleiche Steuerzeiten haben. Die einzelnen Takte, die ebenfalls bei beiden Zylindern 15 und l6 übereinstimmen, sind im Steuerdiagram¹»! durch Halbkreise dargestellt und mit römischen Ziffern bezeichnet und zwar I Ansaugtakt, II Verdichtungstakt, III Arbeitstakt und IV Auspufftakt. Mit OT ist der obere Totpunkt und mit UT der untere Totpunkt angegeben, in der der Kurbelzapfen Ik seine höchste bzw· tiefste Stelle einnimmt, in der jeweils beide Kolben 11 und 12 auf gleicher Höhe stehen. In den übrigen Stellungen des Kurbelzapfens l4 ergeben sich durch die davon abhängige Schrägstellung des Gabelpleuels 13 axiale Verschiebungen der Kolben und 12 gegeneinander. Dei der im Steuerdiagramm und in Fig.1 durch einen Pfeil angedeuteten Drehrichtung der Kurbelwelle eilt der Kolben 11 sowohl bei der Abwärtsbewegung als auch bei der Aufwärtsbewegung, also in sämtlichen Takten, dem Kolben 12 voraus. Die Steuerzeiten für die Einlaßventile- 25 und 26, die Auslaßventile 27 und 28 sowie für das Lberströnrventil 37 sind mit Großbuchstaben bezeichnet.

Zu Deginn des Ansaugtaktes I nehmen die beiden Kolben 11 und 12 bei geöffneten Einlaßventilen 25 und 26 die in Fig.1 gezeigte Stellung im oberen Totpunkt ein. Im weiteren Verlauf des Ansaugtaktes bewegt sich zunächst der Kolben 11 abwärts und saugt dabei durch den Einlaßkanal 19 kraftstoffrexches Luftkraftstoffgemisch an, während der Kolben 12 noch im Dereich des oberen Totpunktes verweilt und dabei eine geringfügige Aufwärts- und Abwärtsbewegung ausführt. Mit einer zeitlichen Verschiebung, die etwa einem Kurbelwinkel von fünfzig bis sechzig. Grad entspricht, bewegt sich der Kolben 12 ebenfalls abwärts und saugt durch den Einlaßkanal 21 Luft an, bis er im unteren Totpunkt den Kolben 11 eingeholt hat. Die

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zunächst zum Ausspülen der Abgasreste noch geöffneten Auslaßventile 27 und 28 werden nach einem Kurbelwinkel, dessen Endpunkt im Steuerdiagramm dem Punkt A entspricht, geschlossen. Der Überströmkanal 36 ist während des ganzen Ansaugtaktes geöffnet.

Im Verdichtungstakt II, der in Fig.2 dargestellt ist, verdichtet der voreilende Kolben 11 das kraftstoffreiche Gemisch im Zylinder 15 und der nacheilende Kolben 12 die Luft im Zylinder l6 unter stetigem Ansteigen des Druckes und der Temperatur des Gemisches bzw. der Luft. Sobald die Einlaßventile 25 und 26 bei Punkt D des Steuerdiagrammes nach einem Kurbelwinkel von etwa fünfzig Grad nach dem unteren Totpunkt geschlossen haben, beginnt auch das Überströmventil 37 zu schliessen. Bei Punkt C des Steuerdiagrammes, der einem Kurbelwinkel von zwanzig bis dreißig Grad vor dem oberen Totpunkt entspricht, ist das Überströmventil 37 vollständig geschlossen, so daß die Verdichtungsräume des Zylinders 15 und des Zylinders l6 voneinander getrennt sind. Ein Teil der sich im Zylinder l6 befindenden Luft wird durch einen Abschnitt des Überströmkanales 36 in den Luftspeicher 4 9 gedrückt. Das gegen das Ende des Verdichtungshubes erreichte Verdichtungsverhältnis der Luft im Zylinder l6 ist wesentlich höher als dasjenige des kraftstoffreichen Gemisches im Zylinder 15, das nur mäßig verdichtet wird, so daß sich für dieses Verfahren auch bleifreie oder bleiarme Kraftstoffe eignen. Im Punkt C des Steuerdiagrammes wird, wie durch einen abgewinkelten Pfeil angedeutet ist, das zündfreudige kraftstoffreiche Gemisch im Zylinder 15 durch die Zündkerze 35 gezündet. Gleichzeitig beginnt das Überströmventil 37 den Überströmkanal 36 wieder zu Öffnen.

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Während des Arbeitstaktes III eilt zwischen dem oberen und dem unteren Totpunkt der Kolben 11 dem Kolben 12 in der gleichen Weise wie beim Ansaugtakt voraus. Die Verbrennung des Kraftstoffes erfolgt im wesentlichen in zwei Stufen. Zu Beginn des Arbeitstaktes verbrennt im Zylinder 15 kraftstoffreiches Gemisch, dessen Verbrennungsgase den Kolben 11 abwärts treiben, während der Kolben 12 noch im Bereich des oberen Totpunktes verweilt. Da die Verbrennung im Zylinder 15 bei Luftmangel erfolgt, bleibt die Temperatur verhältnismäßig niedrig, so daß sich keine oder nur sehr wenig der unerwünschten Stick-Pxyde bilden können. Ein Teil der unvollständig verbrannten Gase strömt unter der Einwirkung des Verbrennungedruckes durch das sich öffnende Überströmventil 37 des Überströmkanales 36 in den mit hochverdichteter Luft gefüllten Luftspeicher 49 und den Verdichtungsraum des Zylinders 16 und verbrennt dort unter sehr großem Luftüberschuß· Dabei bleibt die Temperatur verhältnismäßig gering, so daß auch weiterhin die Bildung von Stickoxyden vermieden wird. Bei Punkt D des Steuerdiagrammes hat das Überströmventil 37 seine obere Endstellung erreicht, in der der Überströmkanal 36 vollständig geöffnet ist. Nachdem sich zwischen dem Zylinder 15 und dem Zylinder l6 kurzzeitig ein-Druckausgleich eingestellt hat, strömen im weiteren Verlauf des Arbeitstaktes stark mit Sauerstoff angereicherte Gase aus dem Luftspeicher 49 durch den Überströmkanal 36 in den Zylinder 15« dessen voreilender Kolben 11 in der ersten Hälfte des Arbeitstaktes je Zeiteinheit einen größeren Raum im Zylinder 15 freigibt als der Kolben 12 des Zylinders l6. Durch die damit bewirkte Luftbeimischung zu den Gasen im Zylinder 15» die bei starker Verwirbelung und verhältnismäßig niedriger Temperatur erfolgt, wird die zweite Stufe der Verbrennung eingeleitet, in der nicht oder nur unvollständig oxydierte Kohlenwasserstoffe sowie Kohlen-

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monoxyd vollständig verbrannt werden. Bei Punkt E im Steuerdiagramtn beginnen die Auslaßventile 27 und 23 zu öffnen, so daß Teilmengen der sich in den Zylindern 15 und 16 ausdehnenden Gase schon in die Auslaßkanäle 20 bzw. 22 einströmen können.

Im Auspufftakt IV werden die schon weitgehend entspannten Verbrennungsgase von den Kolben 11 und 12 aus den Zylindern 15 und l6 ausgeschoben.Da die Auslaßkanäle 20 und 22 in einen gemeinsamen Mischkanal 23 einmünden, werden die Abgase des ersten Zylinders 15 mit den noch sauerstoffhaltigen Abgasen des Zylinders 16 eingehend vermischt, wobei unvollständig verbrannte Kraftstoffteilchen, die gegebenenfalls noch vorhanden sind,ohne weiteren baulichen Aufwand verbrannt werden. Kurz vor dem oberen Totpunkt öffnen die Einlaßventile 25 und 26 bei Punkt F des Steuerdiagramms.

Das Luftverhältnis, d.h. das Verhältnis der angesaugten Luftmenge zur theoretisch für die vollständige Verbrennung notwendigenMindestluftmenge des in den Zylinder 15 angesaugten kraftstoffreichen Gemisches ist im allgemeinen nicht größer als 0,8, Beim Einströmen von Luft aus dem Luftspeicher ^9 und dem Zylinder l6 erhöht sich das Luftverhältnis beispielsweise auf Werte über 1,6. Die Verdichtungsräume der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind so ausgelegt, daß sich im Zylinder 15 ein niederes, im Zylinder 16 ein hohes Verdichtungsverhältnis ergibt. Beispielsweise kann das Verdichtungsverhältnis des Zylinders 15 eii*i zu sieben, das des Zylinders 16 eins zu vierzehn betragen. Dadurch ist es möglich, zur Erzeugung des kraftstoff reichen Gemisches auch Kraftstoffe mit niedrigen Oktanzahlen,

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also auch bleifreie oder bleiarme Kraftstoffe zu verwenden, wodurch der Anteil an Schadstoffen in den Abgasen noch weiter herabgesetzt werden kann. Der durch das hohe Verdichtungsverhältnis im Zylinder 16 herrschende hohe Druck beschleunigt das Überströmen von Luft in den Zylinder 15 und fördert dadurch die Verbrennung des Kraftstoffes. Außerdem verbessert das hohe Verdichtungsverhältnis wesentlich den Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine.

Das Luftkraftstoffgemisch kann statt durch die im Deispiel verwendete Kraftstoffeinspritzdüse auch durch einen Vergaser erzeugt werden. Statt in den zweiten Zylinder nur reine Luft anzusaugen, kann auch ein kraftstoffarmes Gemisch angesaugt werden. Der Luftüberschuß soll dabei aber in jedem Fall so groß sein, daß das Gemisch auch bei der im zweiten Zylinder auftretenden hohen Verdichtung für sich allein nicht zündfähig ist. Die einzelnen Stufen des Verbrennungsverfahrens spielen sich dabei in der gleichen Reihenfolge wie in dem oben beschriebenen Deispiel ab, so daß auch hier die Bildung von Schadstoffen wie Kohlenmonoxyd, unverbranntenKohlenwasserstoffenund Stickoxyden unterdrückt wird. Die den beiden Zylindern eines Doppelkolbens zugeordneten zwei Einlaßventile können statt gleichzeitig durch eine gemeinsame Brücke auch zeitlich unabhängig voneinander durch verschiedene Nocken betätigt werden. Das gleiche gilt auch für die beiden Auslaßventile eines Kolbenpaares. Zur Kraftübertragung zwischen einem Kolbenpaar und dem zugehörigen Kurbelzapfen der Kurbelwelle können statt eines Gabelpleuels auch zwei einzelne Pleuel benutzt werden.

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Claims

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Patentansprüche

Verbrennungeverfahren für eine Viertaktbrennkraftmaschine mit Fremdzündung, bei dem im Ansaugtakt über verschiedene mit Einlaßventilen versehene Kanäle sowohl ein kraftstoffreiches Luftkraftstoffgemisch als auch Luft angesaugt wird, wobei gegen Ende des Verdichtungstaktes die Ladung im Bereich des Einlasses für das kraftstoffreiche Gemisch gezündet wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Doppelkolbenmotors mit mindestens einem in einer Maschinenquerebene auf einen Kurbelzapfen (l4) arbeitenden Kolbenpaar (11/12) im Ansaugtakt der erste, voreilende Kolben (ll) das kraftstoffreiche Gemisch in den ersten Zylinder (15) und der zweite nacheilende Kolben (12) die Luft oder das kraftstoffarme Gemisch in den zweiten Zylinder (l6) saugt, im Verdichtungstakt ein die beiden Zylinder (I5 und 16) miteinander verbindender überströmkanal (36) geschlossen wird und ein Teil der Luft oder des kraftstoffarmen Gemisches des zweiten Zylinders (l6) in einen an den Überströmkanal (36) angeschlossenen Speicher (49) gedrückt wird, während kurz vor dem oberen Totpunkt das kraftstoffreiche Gemisch bei geschlossenem Überströmkanal (36) gezündet wird, im Arbeitstakt in einer ersten Stufe ein Teil des unter Zünddruck stehenden und bei Luftmangel verbrennenden kraftstoffreichen Gemisches durch den sich öffnenden Überströmkanal (36) in den Speicher (49) und den zweiten Zylinder (l6) strömt und dort bei Luftüberschuß weiterverbrennt und in einer zweiten Stufe ein Teil der einen Luftüberschuß aufweisenden Gase des Speichers (49) und des zweiten Zylinders (l6) bei voreilendem ersten Kolben (11) in den ersten Zylinder (15) strömt und dort mit den mit unverbranntem

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Kraftstoff angereicherten Gasen vermischt wird und dabei dessen vollständige Verbrennung ermöglicht und im Auspufftakt die Abgase aus beiden Zylindern (15 und l6) ausgeschoben werden.

Verbrennungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft oder das kraftstoffarme Gemisch höher verdichtet werden als das kraftstoffreiche Gemisch.

Doppelkolben-Drennkraftmaschine für ein Verbrennungsverfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Überströmkanal (36) zwischen dem ersten Zylinder (15//dem zweiten Zylinder (l6) eines jeden Kolbenpaares (11/12) ein Absperrorgan (37) so angeordnet ist, daß der an den Überströmkanal (36) angeschlossene Speicher (49) auch bei geschlossenem Absperrorgan (37) stets mit dem zweiten Zylinder (l6) in Verbindung steht.

Doppelkolben-Drennlcraftmaschine nach Anspruch 3i dadurch' gekennzeichnet, daß das jedem Kolbenpaar (11/12) zugeordnete Absperrorgan (37) als ein federbelastetes Ventil ausgebildet ist, das von einer einzigen, die Einlaß- und Auslaßventile (25 bis 28) der Brennkraftmaschine steuernden Nockenwelle (33) betätigt wird.

Doppelkolben-Drennkraftmaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaßkanal (20) des ersten Zylinders (15) und der Auslaßkanal (22) des zweiten Zylinders (l6) in einen gemeinsamen Mischkanal (23) einmünden.

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