DE2411079A1

DE2411079A1 - Mit ladungsschichtung betriebene, fremdgezuendete brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2411079A1
Application number: DE2411079A
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl Ing D Brandstetter; Gerd Dipl Ing Decker; Kurt Reichel
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1974-03-08
Filing date: 1974-03-08
Publication date: 1975-09-18
Also published as: US3989014A

Description

VOLKSWAGEHWERK Aktiengesellschaft

318 Wolfsburg

Unsere Zeichen: K 1662
1702-Pt-We-Hr

I 3. 74

Mit Ladungsschichtung betriebene, fremdgezündete Brennkraftmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine mit Ladungsschichtung betriebene, -üemdgezündete Brennkraftmaschine, deren Zylinderkopf einen Haupt brennraum und eine über einen Verbindungskanal mit diesem in Verbindung stehende, eine Kraftstoff-Zuführeinrichtung und eine Zündvorrichtung aufweisende Vorkammer, sowie zumindest jeweils einen in den Hauptbrennraum einmündenden Ein- und Auslaßkanal enthält.

JTremdgezündete Brennkraftmaschinen, die mit geschichteter Ladung betrieben werden, sind schon seit vielen Jahren und in vielen Varianten bekannt. Der Grundgedanke bei allen Schichtladeverfahren bestand dabei darin, durch konstruktive Maßnahmen eine unterschiedliche Gemischzusammensetzung der Zylinderladung zum Zündzeitpunkt zu ermöglichen, und zwar derart, daß sich in der Umgebung

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der Zündkerze ein zündfähiges, kraftstoffreiches Gemisch befindet, während die Ladung im übrigen Brennraum auf die jeweils günstigsten Betriebsbedingungen des Motors abgestimmt ist und aus einem mageren Gemisch oder sogar aus reiner Luft besteht.

Während nun mit der Schichtladung bisher der Versuch unternommen wurde, eine zuverlässige Zündung der Zylinderladung auch innerhalb weiter Grenzen der Gesamtgemisch-Zusammensetzung sicherzustellen und darüber hinaus das Betreiben von Otto-Motoren mit höheren Verdichtungsverhältnissen ohne Erreichung der Klopfgrenze zu ermöglichen, wird in den Schichtladeverfahren heute vor allem ein möglicher Weg zur Reduzierung der in den Abgasen der Brennkraftmaschine enthaltenen Schadstoffe, insbesondere der Stickoxyde, gesehen«

Heben den Brennkraftmaschinen-Ausführungen, bei denen die Schichtladung durch zeitlich genau bemessene Einspritzung des Kraftstoffes in einen in dem Brennraum ausgebildeten Luftwirbel angestrebt wird, sind auch Konstruktionen von Schichtladungs-Brennkraftmasohinen bekannt, bei denen der Brennraum in einen von dem Kolben begrenzten Haupt brennraum und eine mit dem Haupt brennraum in Verbindung stehende, gesondert in dem Zylinderkopf angeordnete Vorkammer unterteilt ist. Dabei weist die Vorkammer eine beispielsweise in Form einer Zündkerze vorliegende Zündvorrichtung und eine Kraftstoff-Zuführeinrichtung auf, die entweder aus einer Kraftstoff-Einspritzdüse be-

der
steht oder beifttber ein Hilfseinlaßventil ein von einem Hilfsvergaser aufbereitetes, kraftstoffreiches Gemisch zugeführt wird. Die Vorkammer ist mit dem Hauptbrennraum durch einen Verbindungskanal verbunden, so daß nach der Zündung des in der Vorkammer vorhandenen, kraftstoff reichen Ladungsteils eine Flammenfront zur Verbrennung der restlichen, je nach Last kraftstoffarmen Zylinderladung in den Hauptbrennraum übertreten kann, wodurch sich eine verschleppte Verbrennung mit herabgesetzten Verbrennungs-Spitzentemperaturen und -Spitzendrücken einstellt.

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Hun hat sich gezeigt, daß bei derartigen Brennkraftmaschinen die an den Wänden der Vorkammer herrschenden Temperaturen τοη großem Einfluß auf die Gemischaufbereitung und die Homogenisierung des Gemisches in der Vorkammer sind. Insbesondere während des Kaltstarts und in der Wannlaufphase der Brennkraftmaschine, wenn also die Vorkammerwände noch nicht die Betriebstemperaturen erreicht haben, besteht die Gefahr der Kondensation eines Teils des Kraftstoffes an den Brennraumwänden, so daß sich durch das dann verarmte Gemisch ein schlechtes Laufverhalten der Brennkraftmaschine mit Fehlzündungen, Aussetzern und dergleichen einstellt. Eine Erhöhung der Kraftstoffzufuhr in diesen Betriebszuständen führt· dagegen in Verbindung mit der schlechten Verbrennung zu einem Anstieg der Schadstoffanteile im Abgas.

Andererseits muß auch wegen der Gefahr von Selbst Zündungen vermieden werden, daß sich an der Vorkammerwand, etwa bei höheren Belastungen der Brennkraftmaschine, zu hohe Wandtemperaturen einstellen. Als günstig kann für die Wand der Vorkammer ein Temperaturbereich von 200 bis 500° C angesehen werden, der möglichst schnell nach dem Start der kalten Brennkraftmaschine erreicht und möglichst über den gesamten Betriebsbereich aufrechterhalten werden sollte.

Bei einer aus der DT-OS 2 502 015 bekannten Brennkraftmas chine kann zu diesem Zweck die durch eine metallische Hülse gebildete Vorkammer mittels einer elektrischen Heizeinrichtung beheizt werden. Diese Ausführung erfordert jedoch einen erheblichen Aufwand zum einen in baulicher Hinsicht für die Unterbringung der Zusatzheizung, zum anderen aber auch in energetischer Hinsicht, 'da diese elektrische Heizeinrichtung, um eine wirkungsvolle Aufwärmung der Vorkammer zu erreichen, einen erheblichen, zusätzlichen Energiebedarf verursacht.

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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist daher darin zu sehen, bei einer mit Ladungsschichtung betriebenen, fremdgezündeten Brennkraftmaschine der eingangs bezeichnten Bauart eine Möglichkeit zu schaffen, unter Vermeidung der Nachteile der bekannten Aus führungen die Temperatur der Vorkammerwand möglichst schnell nach dem Start der kalten Brennkraftmaschine in den optimalen Temperaturbereich zu bringen und dort möglichst für die gesamte Betriebszeit zu halten.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung dadurch, daß die Wand der Vorkammer durch eine dünnwandige Schale gebildet ist, die in Wärmeaustausehkontakt mit einer heißen Gasströmung bringbar ist. Vorzugsweise kann die Vorkammerschale in der Weise in den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine eingesetzt sein, daß zwischen ihrer Außenkontur und den umgebenden Wänden des Zylinderkopfes ein Zwischenraum gebildet ist, und daß in den Zwischenraum Verbindungskanäle zur Zu- und Abführung heißer Gase einmünden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorkammer kann nun dafür gesorgt werden, daß zumindest während des Kaltstarts und in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine an der Außenkontur der schalenförmigen Vorkammerwand heiße Gase entlangströmen und die Vorkammer dadurch schnell auf die gewünschten hohen Betriebstemperaturen gebracht werden kann·

Zum Zwecke einer Steuerung der Heißgas-Zufuhr kann in mindestens einem/Verbindungskanäle eine Absperrvorrichtung sein, die vorzugsweise temperaturabhängig steuerbar ist, und zwar in der Weise, daß sie nur während des Kaltstarts und in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine geöffnet ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß nur während dieser besonders kritischen Betriebsbereiche der Brennkraftmaschine eine Heizung der Vorkammerwand vorgenommen wird und daß anschließend, wenn die Brennkraftmaschine also ihre Betriebstemperatur erreicht hat, diese Heizung abgestellt wird.

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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung soll die die Torkammer bildende Schale aus einem Mt ζ else ständigen Material mit geringer Wärmekapazität bestehen. Diese Maßnahme bewirkt zusammen mit der Vorschrift, die Vorkammer aus einer im Abstand zu der Zylinderkopfwand angeordneten, dünnwandigen Schale zu bilden, daß die Torkammer leicht und schnell auf höhere Temperaturen aufgeheizt werden kann.

Obwohl es auch möglich wäre, die Torkammer durch heiße Luft oder dergleichen aufzuheizen, besteht ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung darin, die in den Zwischenraum einmündenden Terbindungskanäle mit dem Auslaßkanal zu verbinden, so daß dem Zwischenraum die heißen, aus dem Hauptbrennraum austretenden Abgase zugeführt werden. Die zur Aufheizung der Torkammer benötigte Energie wird damit ohne Nachteil für den Energiehaushalt der Brennkraftmaschine in vorteilhafter Weise dem Abgas entzogen, das auch schon während des Kaltstarts der Brennkraftmaschine ausreichend hohe Temperaturen aufweist.

Insgesamt gesehen, ergibt sich also, daß bei Terwendung der erfindungsgemäßen Lehre mit verhältnismäßig geringem Aufwand eine Aufheizung der Torkammer möglich ist, so daß bei einer mit Ladungsschichtung_arbeitenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschine das durch Fehlzündung und dergleichen gekennzeichnete schlechte Laufverhalten während der Kaltstart- und Warmlaufphase und die dabei gleichzeitig auftretenden ungünstigen Emissionswerte ohne großen Aufwand wesentlich verbessert werden können.

Zur weiteren Erläuterung der Torteile und wesentlichen Merkmale der Erfindung ist in der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das im folgenden näher beschrieben wird. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt in schematischer Darstellungsweise einen Schnitt durch den Zylinderkopf einer mit einem geteilten Brennraum ausgerüsteten Brennkraftmaschine.

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Dabei ist mit 1 der Zylinderkopf "bezeichnet, in dem ein Hauptbrennraum 2 und eine über einen Verbindungskanal 4 mit diesem in Verbindung stehende Vorkammer 3 angeordnet ist. Mit 5 ist ein in den Hauptbrennraum einmündender Auslaßkanal bezeichnet, der durch ein Auslaßventil 6 gesteuert wird. Der Hauptansaugkanal mit dem Haupteinlaßventil ist hier nicht weiter gezeigt.

Wie sich aus der Zeichnung weiter ergibt, wird die in dem hier gezeigten Beispiel kugelförmig ausgebildete Vorkammer 3 durch eine dünnwandige Schale 7 gebildet, die Aufnahmeöffnungen für eine Zündkerze 8 und eine Kraftstoffeinspritzdüse 9 und/oder ein zusätzliches Hilfseinlaßventil aufweist. Diese Vorkammerschale 7 ist nun so in eine Ausnehmung 10 des Zylinderkopfes 1 eingesetzt, beispielsweise eingegossen, daß zwischen der Außenkontur der Vorkammerschale 7 "¹^d &er Innenkontur der Zylinderkopf ausnehmung 10 ein Zwischenraum 11 gebildet ist. Dieser Zwischenraum 11 ist über einen Verbindungskanal 12 mit einem vorderen Teil des Auslaßkanals 5 und über einen weiteren Verbindungskanal 13 mit einem in Strömungsrichtung gesehen hinteren Teil des Auslaßkanals 5 bzw. mit dem Auspuff verbunden. Auf diese Weise wird der Zwischenraum 11 von heißen, aus dem Hauptbrennraum austretenden Abgasen durchströmt, die durch innigen Wärmeaustauschkontakt mit der dünnwandigen, massearmen Vorkammerschale 7 einen Teil ihrer Wärme zur Aufheizung der Vorkammer abgeben.

Damit diese Aufheizung nur während des Kaltstarts und in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine erfolgt, ist in dem Verbindungskanal 13> dessen Einmündung in den Zwischenraum 11 in der Zeichnung nicht weiter gezeigt ist, eine in Form einer Klappe ausgebildete Absperrvorrichtung 14 angeordnet, die von einer hier nicht gezeigten Verstellvorrichtung beispielsweise temperaturabhängig gesteuert wird. Dazu könnte beispielsweise die Temperatur an einer bestimmten Stelle der Brennkrafta aschine, beispielsweise im Kühl-

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system als Richtgröße herangezogen werden, wobei eine Absperrung des Verbindungskanals 13 und damit eine Unterbrechung der Durchströmung des Zwischenraums 11 dann vorgenommen wird, wenn die Brennkraftmaschine ihre Betriebstemperatur erreicht hat, die Warmlaufphase also beendet ist.

Die auf diese Weise während des Kaltstarts und in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine erzielte Beheizung der Vorkammer durch die heißen Abgase der Brennkraftmaschine bewirkt also gerade während dieser besonders kritischen Betriebsbereiche eine schnelle Verdampfung der der Vorkammer zugeführten Kraftstoffbestandteile

und damit die 3ildung eines homogenen, gut zündfähigen Kraftstoff-Luft-Gemisches, was zu einer einwandfreien Zündung und schadstoff armen Verbrennung beiträgt.

Heben der temperaturabhängigen Steuerung der Absperrvorrichtung besteht auch die Möglichkeit einer zeitabhängigen Steuerung. So kann etwa die Absperrvorrichtung mittels eines Zeitgliedes nach Ablauf einer bestimmten Zeit nach dem Anlassen der Brennkraftmaschine in die Schließstellung gebracht werden, wobei davon ausgegangen wird, daß zu diesem Zeitpunkt die Vorkammer auf eine ausreichend hohe Temperatur aufgewärmt worden ist.,

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Claims

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ASSPEtiCHE

Λ.J lilt !ladungsschichtung betriebene, fremdgezündete Brennkraftmaschine, deren Zylinderkopf einen Hauptbrennraum und eine über einen Verbindungskanal mit diesem in Verbindung stehende, eine Kraft st off -Zuführeinrichtung und eine Zündvorrichtung aufweisende Vorkammer sowie zumindest jeweils einen in den Haupt brennraum einmündenden Ein- und Auslaßkanal enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand der Vorkammer (3) durch eine dünnwandige Schale (7) gebildet ist, die in Wärmeaustauschkontakt mit einer heißen Gasströmung bringbar ist. ■
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß' die Vorkammerschale (7) in der Weise in den Zylinderkopf (1) der Brennkraftmaschine eingesetzt ist, daß zwischen ihrer Außenkontur und den umgebenden Wänden (1O) des Zylinderkopf es ein Zwischenraum (11) gebildet ist, und daß in den Zwischenraum Verbindungskanäle (12, 13) zur Zu- und Abführung heißer Gase einmünden»
J. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem der Verbindungskanäle (12, 13) eine Absperrvorrichtung (14) angeordnet ist.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3j dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrvorrichtung (14) temperaturabhängig steuerbar ist.
5· Brennkraftmaschine nach Anspruch 4> dadurch gekennzeichnet, daß div. Absperrvorrichtung (14) in der Weise gesteuert ist, daß sie nur während des Kaltstarts und in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine geöffnet ist.

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6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Vorkammer (3) bildende Schale (7) aus einem
hitzebeständigen Material mit geringer Wärmekapazität besteht.
7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum (11) über die Yerbindungskanäle (12, 13) mit dem Auslaßkanal (5) zur Zu- und Abführung der heißen Abgase der Brennkraftmaschine verbunden ist.
8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet,-daß die Absperrvorrichtung (14) zeitabhängig steuerbar ist.

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