DE2411080A1

DE2411080A1 - Mit ladungsschichtung betriebene, fremdgezuendete brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2411080A1
Application number: DE2411080A
Authority: DE
Inventors: Gerd Dipl Ing Decker; Kurt Reichel; Dieter Steinke
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: US4040393A

Description

VOLKSWAGEHWEEK Aktiengesellschaft

318 Wolfs-burg

Unsere Zeichen: K I663
1702-Pt-We-Hr

7. 3. 74

Mit Ladungsschichtung betriebene, fremdgezündete Brennkraftmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine mit Ladungsschichtung betriebene, fremdgezündete Brennkraftmaschine mit einem Hauptbrennraum und einer über einen Verbindungskanal mit diesem in Verbindung stehenden, eine Kraftstoffzuführeinrichtung und eine Zündvorrichtung aufweisendaaVorkammer sowie mit mindestens jeweils einem in den Haupt brennraum einmündenden Ein- und Auslaßkanal.

Jremdgezündete 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 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.

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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 Klopf grenze 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-Brennkraftmaschinen bekannt, bei denen der Brennraum in einen, von dem Kolben begrenzten Hauptbrennraum und eine mit dem Hauptbrennraum 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 bei/aber 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, kraftstoffreichen Ladungsteils eine Flammenfront zur Verbrennung der restlichen, je nach Last kraftstoffarmen Zylinderladung in den Hauptbrennraum übertreten-kann, wodurch sich eine Verbrennung mit herabgesetzten Verbrennungs-Spitzentemperaturen und -Spitzendrücken einstellt.

Nun hat sich gezeigt, daß bei derartigen Brennkraftmaschinen die an den Wänden der Vorkammer herrschenden Temperaturen von großem Einfluß auf die Gemischaufbereitung und die Homogenisierung des Gemisches in der Vorkammer sind. Insbesondere während des Kaltstarts und in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine, wenn also die Vorkammerwände noch nicht die Betriebstemperaturen erreicht haben, besteht

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die Gefahr der Kondensation eines Teils des Kraftstoffes an den Brennraumwänden, so daß sich durch das dann verarmte Gemisch ein schlechtes Lauf verhalt en 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 SelbstZündungen 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 300° G 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 2 302 015 bekannten Brennkraftmaschine 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.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist daher darin zu sehen, bei einer mit Ladungsschichtung betriebenen, fremdgezündeten Brennkraftmaschine der eingangs bezeichneten Bauart eine Möglichkeit zu schaffen, unter Vermeidung der Nachteile der bekannten Ausführungen 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.

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Die Lösung dieser Aufgabe besteht gemäß der Erfindung darin, daß zumindest ein Teilbereich der die "Vorkammer begrenzenden Wand in Wärmeaustauschkontakt mit den heißen, aus der Brennkraftmaschine austretenden Abgasen steht. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß die Vorkammer unmittelbar durch die heißen Abgase der Brennkraftmaschine aufgeheizt und warmgehalten wird, so daß der in die Vorkammer eingeführte Kraftstoff schnell und wirkungsvoll verdampft wirdjwodurch sich dort ein homogenes und zündfähiges Kraftstoff -Luftgemisch einstellt, das ohne Schwierigkeiten gezündet werden kann und dessen Verbrennung anschließend unter günstigen Umständen mit verhältnismäßig geringer Schadstoffbildung abläuft.

Dies kann mit verhältnismäßig wenig Aufwand gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung dadurch erreicht werden, daß die Vorkammer in unmittelbarer Nachbarschaft des Auslaßkanals angeordnet ist und daß zumindest ein Teilbereich der Vorkammerwand derart in den Auslasskanal hineinragt, daß er von den heißen, den Auslaßkanal strömenden Abgasen umspült wird. Vorteilhafter Weise kann dabei der in den Auslaßkanal hineinragende Teilbereich der Vorkammerwand dünnwandig ausgeführt sein und etwa 30 bis 50 $ der gesamten Vorkammer-wand ausmachen. Bei Brennkraftmaschinen, bei denen die Kraftstoff-Zuführvorrichtung durch eine in die Vorkammer hineinreichende Einspritzdüse gebildet wird, läßt sich eine besonders gute Verdampfung des eingespritzten Kraftstoffes dann erreichen, wenn die Einspritzdüse so angeordnet ist, daß der von ihr ausgehende Spritzkegel innerhalb des von den Abgasen umspülten Teilbereiches auf die Vorkammerwand auftrifft.

Zur weiteren Erläuterung der Vorteile 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 einen Längsschnitt durch den Zylinderkopf einer mit einem geteilten Brennraum ausgestatteten, fremdgezündeten Brennkraftmaschine. Dabei ist mit 1 der Zylinderkopf bezeichnet, in dem ein Hauptbrennraum 2 und eine mit diesem

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durch einen Verbindungskanal 4 in. YerMn&ung stehende Vorkammer angeordnet ist. 5 stellt den durch ein herkömmliches Yentil 6 gesteuerten Auslaßkanal dar, der in den Haupt "brennraum 2 mündet und während des Ausschubtaktes des hier nicht weiter gezeigten Kolbens der Brennkraftmaschine die Abgase aufnimmt. Der ebenfalls in den Hauptbrennraum 2 einmündende ,Ansaugkanal ist ebenso wie das diesem zugeordnete Einlaßventil hier nicht dargestellt.

In die hier kugelförmig ausgebildete Vorkammer 3 ragt eine Zündkerze 7 sowie eine Kraftstoff-Einspritzdüse 8 hinein. Anstelle oder auch zusätzlich zu der Kraftstoff-Einspritzdüse könnte auch ein in die Vorkammer 3 einmündender Hilfseinlaßkanal mit einem entsprechenden Hilfseinlaßventil vorgesehen sein, durch das kraftstoffreich® Gemisch bzw. reine Luft zur Spülung der Vorkammer zugeführt wird.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, grenzt ein verhältnismäßig dünnwandig ausgeführter Teilbereich 9 der Wand der Vorkammer 3 unmittelbar an den Auslaßkanal 5, so daß die diesen Auslaßkanal durchströmenden heißen Abgase die Vorkammer zumindest teilweise umspulen und in diesem Bereich aufheizen. Dieser von den Abgasen beaufschlagte Teilbereich der Vorkammerwand sollte zweckmäßigerweise zwischen 30 und 50 % der gesamten Vorkammerwand ausmachen, und der von der Einspritzdüse 8 ausgehende Spritzkegel sollte etwa in diesem Bereich auf die Vorkammerwand auftreffen, so daß der eingespritzte Kraftstoff auch während des Kaltstarts und in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine unter Aufnahme von Wärme aus der Wand schnell und vollständig verdampfen kann. Diese Kraftstoffverdampfung ermöglicht die Bildung eines homogenen, gut aündxähigsn Kraftstoff-luftgemisches und gewährleistet dadurch ein einwandfreies Zünden und eine gute, schadstoffarme Verbrennung der gesamten Zylinderladung.

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Neben der in der Zeichnung gezeigten Ausführung wäre es auch möglich, die Vorkammer als in eine entsprechende Ausnehmung des Zylinderkopfes eingesetzte Schale auszubilden. Dabei könnte die Schale gegenüber der umgebenden Zylinderkopfwand einen Abstand aufweisen und nur im Bereich des von dem Abgas umspülten Zylinderkopfwandbereiches an diesem anliegen. Bei einer dünnwandigen Schale aus gut wärmeleitendem Material würde dann die von dem Abgas abgegäieiB Wärme relativ gleichmäßig auf die gesamte Torkammer abgeleitet und verteilt, so daß dort eine gute Gemischbildung erreicht wird.

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Claims

ANSPRÜCHE

,/ 1.) Mit Ladungsschichtung betriebene, fremdgezündete Brennkraft- ^-' · maschine mit einem Haupt brennraum und einer über einen Verbindungskanal mit diesem in Verbindung stehenden, eine Kraftstoff-Zuführeinrichtung und eine Zündvorrichtung aufweisenden Vorkammer sowie mit mindestens jeweils einem in den Hauptbrennraum einmündenden Ein- und Auslaßkanal, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teilbereich (9) der die Vorkammer (3) begrenzenden Wand in Wärmeaustauschkontakt mit den heißen, aus der Brennkraftmaschine austretenden Abgasen steht.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkammer (3) in unmittelbarer Nachbarschaft des Auslaßkanals (5) angeordnet ist und daß zumindest ein Teilbereich (9) der Vorkammerwand derart in den Auslaßkanal hineinragt, daß er von den heißen, den Auslaßkanal durchströmenden Abgasen umspült wird.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der in den Auslaßkanal (5) hineinragende Teilbereich (9) der Vorkammerwand dünnwandig ausgeführt ist.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilbereich (9) etwa 30 bis 50 $ dergesamten Vorkammerwand ausmacht.
5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1-4» nii"b einer als Einspritzdüse ausgebildeten Kraftstoff-Zuführeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse (8) so angeordnet ist, daß der von ihr ausgehende Spritzkegel innerhalb des von den Abgasen umspülten Teilbereiches (9) auf die Vorkammerwand auftrifft.

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6. Brennkraftmaschine naeh einem der Ansprüche Ί - 5> dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkammer durch eine in eine Ausnehmung des Zylinderkopfes eingesetzte,dünnwandige Schale gebildet iet, die in einem von Abgas umströmten Bereich an der umgebenden Zylinderkopfwand anliegt und im übrigen Bereich einen Abstand zu dem Zylinderkopf einhält.

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