DE2503811A1

DE2503811A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2503811A1
Application number: DE19752503811
Authority: DE
Inventors: Floyd Anthony Wyczalek
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1974-02-04
Filing date: 1975-01-28
Publication date: 1975-08-07
Also published as: FR2259984A1; JPS50108407A; US3921605A; IT1029411B

Description

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General Motors Corporation, Detroit, Mich., V.St.A.

Br ennkraftmas chine

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit veränderlichem Hubvolumen, die mit einem brennbaren !Gemisch mit einem Brennstoffverhältnis, das magerer als das jstoichiometrische Verhältnis ist, betrieben wird, und Zündein-

i " ■

{richtungen zur PlasmastrahlzUndung aufweist, zu denen eine mit der Verbrennungskammer über eine Drosselstelle in Verbindung !stehende geschlossene Vorkammer gehört, in der eine in deren Wand befestigte Zündkerze eine Funkenstrecke zwischen der Drosselstelle und der Mitte der Vorkammer im Bereich hoher Turbulenz von zwischen der Verbrennungskammer und der Vorkammer strömenden Gasen aufweist.

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ORIGINAL IWSPECTED

-2-ELn Ziel neuzeitlicher Entwicklung ist darauf

gerichtet, Brennkraftmaschinen zu schaffen, die Gemische ver- : brennen können, deren Luft-Brennstoffverhältnis wesentlich ! magerer als das stöchiometrische Verhältnis ist und hierbei

einen wirtschaftlichen Brennstoffverbrauch und einen einwandfreien Betrieb zu gewährleisten. Dieses Ziel ergibt sich aus der Erkenntnis, dass ausreichend magere Gemische beim Verbrennen wesentlich geringerer Anteile von Stickoxiden ergeben und auch die V_erbrennung von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid in den Verbrennungskammern und der Abgasanlage erleichtern.

Um dieses Ziel zu erreichen, sind verschiedene Versuche unternommen worden. Beispielsweise wurde eine Strahlzündung von geschichteten oder getrennten Ladungen der Brenn- ; kraftmaschine in kleinen Vorkammern vorgeschlagen, die neben der Verbrennungskammer angeordnet mit dieser über eine Drosselstelle verbunden sind. Im allgemeinen "wird hierbei die Vakammer mit einem reichen Luft-Brennstoffgemisch über ein besonderes Einlassventil oder durch direkte Brennstoffeinspritzung versorgt, während ein mageres Gemisch der Verbrennungsjkammer zugeleitet wird. Das reiche Gemisch der V&rgammer I

wird durch eine übliche Zündanlage gezündet, was keine besonderen Schwierigkeiten bereitet. Das in der Vorkammer abbrennende Gemisch tritt unter dem V^rbrennungsdruck in die Verbrennungs-

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ι —3— '

kammer als Flammenstrahl, der in das magere Gemisch eindringt \ und ausreicht, um es zu .zünden und die Verbrennung einzuleiten. Derartige Brennkraftmaschinen sind aber im allgemeinen wenig erwünscht, da sie gegenüber den traditionellen Bauarten zusätzliche Bauteile benötigen, die den Aufbau verwickelt gestalten und den Betrieb erschwerten. So sind beispielsweise besondere Einlassventile mit zugeordneten Leitungen zu den Vorkammern erforderlich, ferner ein besonderer Vergaser zur j

ι Versorgung der Vorkammern oder verwickelt aufgebaute Vergaser, ι

■ . ι

um die Versorgung der Vorkammern mit einem reicheren Gemisch j zu ermöglichen. Ausserdem sind Vorwärmanlagen erforderlich. Es sind daher auch Brennkraftmaschinen mit geschlossenen Vorkammern vorgeschlagen worden (US-PS 2 024 462), j bei denen die Vorkammern mit einem ÄLcht geschichteten homogenen! , Luft-Brennstoffgemisch aus den zugeordneten Verbrennungskammern [

versorgt werden. Hierbei hat sich jedoch gezeigt, dass bei

: Betrieb mit Gemischen, die wesentlich magerer sind als dem j stöchiometrisdhen Verhältnis entspricht (beispielsweise j

; mit Luft-Brennstoffverhältnissen von 18:1 und mehr), übliche j Zündanlagen und die bei ihnen erreichbaren Zündenergien ungeeignet sind, eine einwandfreie Zündung und Aufrechterhaltung

; der Verbrennung in den turbulenten Bereichen der Vorkammern j zu gewährleisten. Vielmehr können häufig ein Ausblasen des

■■.■--.

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; Zündfunkens und eine unvollkommene Verbrennung beobachtet j werden, wenn übliche Zündanlagen zum Zünden derartig magerer

Gemische verwendet werden.
ι Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese

i Nachteile bekannter Brennkraftmaschinen mit geschlossener ' Vorkammer zu überwinden und eine stets einwandfreie Zündung und Verbrennung von mageren Gemischen zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass sich die

Brennkraftmaschine durch eine elektrische Zündanlage kenn-

\ zeichnet, die mit den Zündeinrichtungen verbunden an diesen

J einen Zündfunken mit einer Mindest energie von 50 Milli^Qulßs : und einer Mindeststromstärkenspitze von 150 MilliAmp erzeugt,

der die Zündung des in der Vorkammer im Bereich der Funkenstrecke turbulenten mageren Luft-Brennstoffgemisches bewirkt. j Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung

ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren

: zum Betrieb einer erfindungsgemässen Brennkraftmaschine.

j Die erfindungsgemässe Brennkraftmaschine hat eine

I kleine Vorkammer, die über eine Drosselstelle mit der Verbrennungskammer der fremdgezündeten Brennkraftmaschine verbunden ist, die im übrigen von üblichem Aufbau sein kann. Die Vorkammer kann als Teil des Zylinderkopfes oder des Zylinderτ

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blocks ausgebildet sein oder als besonderer Einsatz ausgebildet werden, der anstel Ie einer üblichen Zündkerze in die für diese vorgesehene Gewindeöffnung einschraubbar ist. Dieser Einsatz enthält dann eine besondere Zündkerze. Für die Auslage der Vorkammer und der sie mit der Verbrennungskammer verbindenden Drosselstille sind gewisse Parameter innerhalb der nachstehenden Grenzen einzuhalten.

1. Dga Volumen der Vorkammer sollte zwischen 2 und 10 % des Hubvolumens in der oberen Totpunktlage des Kolbens betragen. Ein vorteilhafter Wert dürfte etwa 3 % sein_e

2. Das Verhältnis des Volumens der Vorkammer zur Querschnittsfläche der Drosselstelle, die die Verbindung zur Verbrennungsr

3 2 kammer herstellt, sollte zwischen 12,7 und 38»0 cm je cm Querschnittsfläche betragen.

3. Das Verhältnis der Länge der Drosselstelle zu ihrem Durchmesser sollte zwischen 0,2 und 2.0 betragen«

Die zu verwendende besondere Zündkerze hat zweckmässig eine lange Mittelelektrode, die eine Funkenstrecke in der Vorkammer aufweist, die zwischen dem Mittelpunkt der Vorkammer und der inneren Mündung der Drosselstelle liegt. Die Funkenstrecke liegt damit im Bereich der turbulenten Strömung des in die Vorkammer neu einströmenden Gemisches und verhältnismässig fern von den ruhenden Restgasen an der Rückseite der

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Vorkammer. Die Funkenstrecke liegt zweckmässig nahe der inneren Mündung der Drosselstelle, da dort ein maximaler Strom der Gase zwischen Vorkammer und Verbrennungskammer eintritt. Es werden hierdurch die besseren Verbrennungsbedingungen geschaffen, jedoch bedeutet eine Verlagerung zur Mitte der Vorkammer eine Herabsetzung der Temperaturen der Elektroden und damit eine Erhöhung ihrer Lebenszeit.

Um eine zuverlässige Zündung der mageren Gemische, ; mit denen die Brennkraftmaschine betrieben werden soll, zu erj möglichen, ist die Zündanlage so ausgestaltet, dass sie eine i hohe Zündenergie liefert mit einer Mindestenergie im Zünd-' funken von etwa 50 Millijoulü. Die Zündanlage hat daher sehr ! hohe Anfangsspannungen bis zu 30 000 Volt, wodurch eine Ionisierung im Bereich der Funkenstrecke eintritt, wodurch der ; Widerstandswert der Funkenstrecke verringert wird. Der Zünd- ; funken wird dann für mindestens 0,5 Millisekunden durch eine ^: aufrechterhaltene Zündspannung von bis zu 2 000 Volt aufrecht-

j erhalten, wobei sich eine Spitze der Stromstärke von 150 MilliAmp j oder mehr ergibt, die in dem Teil des Arbeitsspiels auftritt, j in dem die Mischung in die Vorkammer eintritt und nach dem j Zünden aus dieser beginnt abzuströmen. Der Austritt der Gase aus der Drosselstelle mit hoher Energie führt zu einer Berührung eines wesentlichen Teils des Gemisches in der Verbrennungs-

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kammer, wodurch die Zündung und die Verbreitung der Flamme unterstützt wird, selbst wenn verhältnismässig sehr magere Gemische mit einem Luft-Brennstoffverhältnis von 19:1 oder mehr verwendet werden. Die hohe Energie im Funken verhindert, dass die turbulente Gasströmung den Zündfunken löschen kann, bevor eine einwandfreie Flammenbildung erreicht ist.

Bei einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung liefert die Zündanlage zusätzlich einen Strom hoher Stromstärke, der gleichzeitig mit dem von der Zündanlage erzeugten Zündfunken über die Funkenstrecke geleitet wird. Dieser Strom kann eine maximale Stärke von 5 bis 15 Amp aufweisen und wird während der Zeit des Zündfunkens und einer anschliessenden Zeit von 1 oder 2 Millisekunden aufrechterhalten, um ein energiereiches Plasma zu schaffen.

Das Verfahren zum Verbrennen magerer Gemische in erfindungsgemassen Maschinen erfordert also folgende Schritte:

1. Herstellung eines weitgehend homogenen mageren Gemisches und Zuleitung zur Verbrennungskammer.

2. Verdichten der Mischung in der Verbrennungskammer, wobei ein Teil des Gemisches über die Drosselstelle in die Vorkammer verdrängt wird und infden Bereich der Funkenstrecke der Zündkerze gelangt.

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3* Zünden des Gemisches gegen Ende des Verdichtungshubes durch eine Zündanlege mit hoher Zündenergie in der Grössenordnung von 50 Millijoulx und einer Spitzenstromstärke von etwa 150 MilliAmp im Bereich einer Funkenstrecke zwischen der bindung der Drosselytelle und der Mitte der Vorkammer» um das dort befindliche magere Gemisch zu zünden und zu ionisieren, so dass die Verbrennung in der Vorkammer eingeleitet wird.

4. Die Verbrennung in der Vorkammer "veranlasst eine Expansion der Brenngase, wodurch brennendes Gemisch durch die Drosselstelle in die Verbrennungskammer als Flaminenstrahl austritt und das dort befindliche magere Gemisch entzündet. Auf diese Weise können Gemische mit einem Luft-Brennstoffverhältnis von mindestens 19Jl einwandfrei verbrannt werden.

5. Die Energie des Zündstralils kann durch die zusätzliche Einwirkung eines Stromes hoher Stärke bis zu 10 Amp über die Funkenstrecke während des Abbrennens der Gase erreicht werden. Dieser Strom grosser Stärke ionisiert die verbrannten und brennenden durch die D_rosselstelle ausströmenden Gase und bildet ein energierdbhes Plasma, das in die Verbrennungskammer ausströmt.

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Es ist somit nicht nur die Energie der brennenden Gase enthalten, sondern die durch das elektrische Ionisieren bedingte· Hierdurch können noch magerere Gemische mit einem Luft-Brennstoff verhältnis von etwa 23*1 gezündet und einwandfrei verbrannt werden.

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Äilschnitt durch eine Brennkraftmaschine

nach der Erfindung,

Fig· 2 einen vergrösserten Ausschnitt aus Fig. I₉ Fig. 5 einen der Fig. 2 entsprechenden vergrösserten Ausschnitt einer anderen Ausführungsform der Brennkraftmaschine,

Fig. 4 ein Schaubild, in dem die Vorzündung in Geraden über dem Ansaugvakuum in mmQS für übliche Brennkraftmaschinen im Vergleich zu ©rfindungegemässen Brennkraftmaschinen aufgetragen ist und Fig. 5 eine graphische Darstellung, ia der über S#r

Zeit da« Betriebeverhalten einer AusfÜJ&yiasgs·* fora der Erfindung erläutert ist·

I_n Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine 10 dargestellt, die mit Ausnahme der Zündanlag· und der Vorkamm«· einer üblichen 1,0 Liter Vierzylinder-Brennkraftaaechine ait Kopfattuerung und Fremdzündung entspricht.

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Zu den üblichen Bauteilen gehört ein Zylinderblock 12 mit mehreren Zylindern 14 zur Aufnahme je eines Hubkolbens 16. Die Kolben 16 sind über Kolbenstangen 18 mit einer Kurbelwelle 20 verbunden, die in üblicher Weise im Zylinderblock gelagert ist. Die oberen Enden der Zylinder 14 sind durch einen Zylinderkopf 22 verschlossen, wobei Verbrennungskammern 24 gebildet sind, die durch eine keilförmige Aussparung im Zylinderkopf und die zugeordneten Zylinder 14 und Kolben 16 begrenzt werden.

Im Zylinderkopf 22 ist eine Nockenwelle 26 gelagert, die in nicht dargestellter Weise von der Kurbelwelle angetrieben ist und auf mehrere Ventilstössel 28 arbeitet. Diese betätigen Schwinghebel 30, die ihrerseits mehrere Einlassund Auslassventile 32 periodisch betätigen, die im Zylinderkopf 22 geführt sind. Die Einlass- und Auslassventile 32 steuern zugeordnete Einlassöffnungen und Auslassöffnungen der Verbrennungskammern 24, um die Zufuhr von Gemisch und die Ableitung von Brenngasen in üblicher Weise zu bewirken. Die Brennkraftmaschine arbeitet im üblichen Viertaktverfahren mit einem Ansaughub, einem Verdichtungshub und einem Auslasshub, wobei ein Expansionshub eingeschaltet ist, der nahe dem Ende des Verdichtungshubes beginnt und sich über einen Teil des Expansionshubes erstreckt.

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Eine Zündanlage hoher Ztindenergie ist der Brennkraftmaschine zugeordnet, die einen elektronischen Steuerkreis 40 enthält, der von einer üblichen Batterie 42 gespeist v/ird₅ und mit einem von der Brennkraftmaschine angetriebenen Verteiler 44 verbunden ist.

In abgewandelter Weise kann die Maschine auch

mit einer üblichen elektronischen Zündanlage ₉ me sie beispielsweise in der US-PS 3 838 672 beschrieben ist, betrieben werden, wobei diese jedoch mit einer höheren Zündenergie ausgelegt ist. Dies hat den Vorteil, dass handelsübliche Bauteile verfügbar sind. Jedoch gestattet eine derartige Anlage bei ihrem Spitzenstrom von etwa 150 MilliAmp nur eine begrenzte Plasmaenergie der aus der Vorkammer abströmenden Brenngase, so dass der Bereich zuverlässigen Betriebes gegenüber Anordnungen eingeschränkt ist, die mit den ersterwähnten Zündanlagen ausgerüstet sind.

Wie Fig. 2 zeigt, enthält jede Verbrennungskammer 24 ein Gewindeloch 46 im Zylinderkopf an der erwiieterten Seite der keilförmigen Aussparung, wo bei üblichen Maschinen die Zündkerze eingeschraubt wird. Bei der erfindungsgemässen Brennkraftmaschine wird ein rohrförmiger Einsatz 48 eingeschraubt, der einen Gewindenippel 50 kleineren Durchmessers aufweist, um in das Gewindeloch 46 eingeschraubt zu werden. Der Einsatz

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48 enthält eine geschlossene pilzförmige Vorkammer 52, deren verjüngter Teil sich in den Bereich des Nippels 50 erstreckt und dort über eine Drosselstelle 54 mit der Verbrennungskammer 24 verbunden ist.

Am gegenüberliegenden Ende der Vorkammer 52 hat der Einsatz 48 ein Innengewinde 55, in das eine besondere Zündkerze 56 eingeschraubt wird. Die Zündkerze 56 hat ein Anschlußstück 58 ausserhalb des Einsatzes 48 und eine lange Mittelelektrode 60, die sich durch die Vorkammer 52 bis in den Bereich der Mündung der Drosselstelle 54 in die Vorkammer 52 erstreckt.

, Die Brennkraftmaschine gemäss Fig. 1 und 2 weist vier Zylinder auf, die je ein Hubvolumen von 475 cm haben und ein Verdichtungsverhältnis von 7,4 aufweisen. Die geschlossene Vorkammer 52 jedes Zylinders hat ein Volumen, das etwa 3,6 % des Hubvolumens in der oberen Totpunktlage des Kolbens entspricht, wobei das Volumen 7,5 cnr je cm Querschnittsfläche der Drosselstelle 54 aufweist. Die Länge der ι Drosselstelle 54 entspricht deren Durchmesser. Diese Werte : liegen innerhalb der bereits angeführten vorteilhaften Grenzen.

Während des Betriebes wird die Vorkammer 52 mit frischem Gemisch aus der Verbrennungskammer 24 während des Verdichtungshubes jedes Arbeitsspiels versorgt. Das Gemisch

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wird gezündet, bevor der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht, und zwar durch einen Zündfunken hoher Energie von 50 Millijoulä, oder mehr und einer Mindeststromstärkenspitze von 150 MilliAmp im Bereich der Funkenstrecke, die durch die Mittelelektrode 60 der Zündkerze und den Innenrand der Drosselstelle 54 gebildet wird. Die angeführten Werte der Energie und der Stromstärke

W stellen praktisch Mindestwerte dar, durch die ein Auslasen des Zündfunkens und eine daraus folgende fehlerhafte Verbrennung verhindert wird, wenn die Funkenstrecke in der turbulenten Strömungszone zwischen der Drosselstelle 54 und der Mitte der j Vorkammer 52 liegt. Der Zündfunken wird für mindestens 0,5 j Millisekunden aufrechterhalten, um die Zündung zu gewährleisten und eine ausreichende Ausbreitung der Flamme in dem mageren turbulenten Gemisch zu erhalten. Dieses Gemisch brennt in Richtung auf das der Drosselstelle abgewandte Ende der Vorkammer ab und dehnt sich hierbei aus, wobei ein Strahl von brennendem Gemisch durch die Drosselstelle 54 in die Verbrennungjs ! kammer 24 ausgestossen wird. Die Energie dies.es Strahles wird durch Ionisieren der verbrannten und brennenden Gase beim j Durchtritt durch den Zündfunken erhöht und diese Wirkung ist durch die Verwendung einer Zündanlage höherer Energie und grösserer Stromstärkenspitzen sowie verlängerte Aufrechterhaltun des Zündfunkens beträchtlichferhöht.

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Die Energie des heissen Zündstrahles in der Verbrennungskammer 24 beträgt etwa 1 JouHund ist somit etwa 25 mal. stärker als die üblichei? Zündfunken. Es wird hierdurch eine einwandfreie Verbrennung von mageren Gemischen bis zu einem Luft-Brennstoffverhältnis von 20:1 ermöglicht, wobei zugleich die Brenngeschwindigkeit derartiger Gemische erhöht wird. Dies ist in Fig. 4 veranschaulicht, wo vergleichsweise Kurven der Zündverteilung in Abhängigkeit vom Ansaugvakuum dargestellt sind. Die Kurven wurden unter konstanten Betriebsbedingungen mit 2 000 UÜnin und 4,5 kgm Drehmoment am Ausgang und einem Luft-Brennstoffverhältnis von 19:1 ermittelt. Vergleichbare Zündanlagen hoher Zündenergie wurden in beiden Fällen verwendet, so dass die Unterschiede allein auf die Vorkammer zurückzuführen sind. Die Kurven zeigen, dass bei einem Ansaugvakuum von 280 mmQS beispielsweise bei konstanter Drosselöffnung und Brennstoffzufuhr die Vorzündung von 33° bei üblichen Bauarten auf 14° bei Brennkraftmaschinen nach der Erfindung verringert werden kann.

Weitere Versuchsergebnisse sind in der nachstehenden Tabellfc 1 angegeben, wobei Vergleichswerte der Vorzündung bei verschiedenen Fahrgeschwindigkeiten und der Anteil an Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden in den Abgasen aufgezeigt!

i sind. Verglichen wurde ein-e übliche Brennkraftmaschine mit j

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Zündkerzenzündung und einer Zündanlage hoher Zündenergie und eine erfindungsgemässe Brennkraftmaschine. Die Werte zeigen, dass die Vorzündung bei der erfindungsgemässen Bauart nur etwa halb so gross ist wie bei üblichen Brennkraftmaschinen bei normalen FaÄrverhältnissen. Hierdurch wird die wesentliche Erhöhung der Brenngeschwindigkeit bei der erfindungsgemässenf Bauart deutlich.

Tafel 1

Vergleich der optimalen Vorzündung bei 3 % Leistungsverlust und der Abgasanteile bei stetigem Betrieb bei verschiedenen Fahrgeschwindigkeiten und einem Luft-Brennstoffverhältnis von 18.5:1

Übliche erfindungsgemässe Brennkraftmaschine Brennkraftmaschin'

Fahrgeschwindigkeit 40 65 96 40 65 96 in km/h

optimale Vorzündung. _o„ ^₀ _/n ■ "■,/,· _ΊΚ in Grad ^{27 32 4D 13 l4 15}

Kohlenwasserstoffe in _n
g/km ^u

Stickoxid in g/km 0,57 0,83 2,6 0,25 0,70 1,31

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Tafel II

Werte bei Kaltstartversuchen nach FTP (United States Federal Test Procedures\1975)

Betriebsart:

I erfindungsgemässe Brennkraftmaschine mit optimaler Vorzündung und optimalem Luft-Brennstoffverhältnis

II übliche Brennkraftmaschine mit gleicher Wirtschaftlichkeit in bezug zur erfindungsgemässen Brennkraftmaschine

III übliche Brennkraftmaschine mit gleicher Vorzündung im

Vergleich zur erfindungsgemässen Brennkraftmaschine

Betriebs-

! art

Maschine Luft- An- Koh-

brenn- teil len-

stoff- Koh- mon- ge-

ver- len- oxid- halt

hält- wasser- ge- in

Stick- Brenn- Voroxid- stoff- zün-

ver-

brauch

in

dung in °

nis stoffe halt g/km km/l in g/km in g/km

erfindungsgemässe Brennkraftmaschine .19,5 0,78 4.0

II übliche Brennkraftmaschine 19,5 0,81 3,3

III übliche Brennkraftmaschine 19,5 0,56 4,2

1,1 7,77 15 1,7 7,82 30 1,1 6,5 15

Tafel II zeigt Werte, die bei Verwendung von Zündanlagen mit hoher Energie bei einem Fahrzeug mit einem 1360 kg/ Trägheitsdynamometer ermittelt wurden.

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Bei der Betriebsart I wurde der geschlossenen Vorkammer ein optimal aufbereitetes mageres Gemisch zugeleitet, ; eine optimale Vorzündung eingestellt und die Zündung durch j die Zündanlage mit hoher Energie bewirkt. Die Abgasanteile wurden als Mittel von 10 wiederholten Versuchen erhalten. !

Betriebsverfahren II: In gleicher Weise wie beim ί Betriebsverfahren I mit der Ausnahme, dass anstelle der Vor- \ kammer eine übliche Zündkerze eingesetzt wurde und die Zündver- ■ stellung umgestellt wurde, um gleiche Brennstoffwirtschaftlich-

! keit wie bei I zu erhalten. ,

Betriebsverfahren III in gleicher Weise wie bei I, jedoch mit durch eine übliche Zündkerze ersetzter Vorkammer.

Die Tafel II zeigt beispielsweise, dass die Abgasanteile beim Kaltstart bei einer erfindungsgemässen Brennkraftmaschine und einem Luft-Brennstoffverhältnis von 19,5sl und einer Vorzündung von 15 betrugenϊ Kohlenwasserstoffe 0,78 g/km, Kohlenmonoxid 4,0 g/km, Stickoxide 1,1 g/km und einen Brennstoffverbrauch von 7,77 km/1. Es ergab sich ein zufriedenstellender Fahrbetrieb, wobei die nach den Vorschriften für 1975 einzuhaltenden Abgasanteile eingehalten wurden. Die Tafel T. lässt folgende Vorteile der erfindungsgemässen Ausbildung erkennen:

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1. Bei gleicher Vorzündung von 15° zeitigt die erfindungsge- ! masse Bauweise eine Verbesserung des BrennstoffVersuches j von 6,5 km/1 auf 7,77 km/l.

■ 2. Bei Vorzündung zur Erzielung gleicher Brennstoffverbrauche j zeitigt die erfindungsgemässe Bauweise eine Verringerung

des Stickoxidanteils in den Abgasen von 1,7 auf 1,1 g/km.

Fig. 3 der Zeichnungen zeigt eine abgewandelte Ausführungsform einer Brennkraftmaschine nach der Erfindung. Die Brennkraftmaschine enthält einen Zylinderblock 62 mit Zylindern 64 für Kolben 66 sowie einen Zylinderkopf 68, wobei Verbrennungskammern 70 gebildet sind. Einlass- und Auslassventile 72 steuern nicht dargestellte Ein- und Auslassöffnungen zu den Verbrennungskammern.

Eine Öffnung 74 an der einen Seite jeder Verbrennungskammer 70stellt die Verbindung mit einer geschlossenen Vorkammer 76 dar, die innerhalb eines Einsatzes 78 gebildet ist und über eine Drosselstelle 80 mit der Verbrennungskammer 70 in Verbindung steht. Der Einsatz 78 ist in dem Zylinderkopf 68 durch einen besonderen Halter 82 gehalten, der sich über die Länge des Zylinderkopfes erstreckt und für jeden Zylinder eine Zündkerze 84 aufnimmt.

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Jede Zündkerze hat eine lange Mittelelektrode und eine Mantelelektrode 87, die sich durch die zugeordnete Vorkammer 76 im wesentlichen parallel zur Mittelelektrode bis zu einer Funkenstrecke erstreckt, die neben der Mündung der Drosselstelle 80 in die Vorkammer 76 liegt* Vorteilhaft liegt die Funkenstrecke zwischen der Mitte der Vorkammer, und der Drosselstelle 80, damit ein Ionisieren der durch die Drosselstelle abströmenden Gase durch den Funken eintritt. Jedoch wird die Temperatur der Elektroden und damit ihre Standfestigkeit erhöht, wenn die Funkenstrecke von der Mündung der Drosselstelle in Richtung auf die Mitte der Vorkammer verlagert wird. Es wird dann zwar der Plasmaeffekt verringert, ist jedoch noch beachtlich. Falls gewünscht, kann die Funkenstrecke auch zwischen der Mittelelektrode 86 und dem-Rand der Drosselstelle , 80 gebildet werden, wie dies bei der ersten Ausführungsform '. der Fall ist. Zylindrische Hülsen 88 umgeben abgedichtet jede : Zündkerze und bilden zusammen mit dem Halter 82 Kühlkanäle 90, j durch die Kühlmittel der Brennkraftmaschine zur Kühlung der '' Zündkerzenkörper strömt.

: Die Arbeitsweise dieser abgewandelten Ausführungs-j-

' form ist im wesentlichen die gleiche wie bei der ersten Aus- ; führungsform.

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Eine abgewandelte Ausführungsform der Zündanlage , für erfindungsgemässe Brennkraftmaschinen enthält eine Spule mit hoher Stromaufnahme, die in die Zündanlage für die erste Ausführungsform eingegliedert ist. Diese Zündspule bewirkt einen Strom hoher Stärke zwischen 5 und 15 Amp, vorzugsweise von 10 Amp, der über die Funkenstrecke in einem bestimmten Zeitabschnitt nach dem Ziehen des Zündfunkens geleitet wird, wenn nämlich ein wesentlicher Gasstrom aus der V-orkammer über die Drosselstelle durch die Verbrennimg in der Vorkammer erfolgt. Hierdurch werden die verbrannten und brennenden Gase, die durch die Drosselstelle indie Verbrennungskammer abströmen, zusätzlich ionisiert, so dass sich ein energia^eicher Plasmastrahl ergibt, der in die Verbrennungskammer eintritt. Dieser energiereiche Strahl hat eine Energie von etwa 2 Jouii, also eine Energie, die etwa 50 mal grosser als die eines üblichen elektrischen Funkens ist. Hierdurch erfolgt ein schnelles Zünden des mageren Gemisches und eine schnelle Fortpflanzung der Verbrennung in der Verbrennungskammer.

Fig. 5 zeigt die zeitliche Zuordnung einiger Vorgänge des Zündvorganges. Vor Erreichen des Punktes 1 wird der Zylinder der Brennkraftmaschine mit einem mageren Gemisch gefüllt, das in der Verbrennungskammer und der Vorkammer verdichtet wird. Im Punkt 1 liefert die Zündanlage hoher Energie

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eine Spannung von etwa 30 000 Volt zur Funkenstrecke und ver- ;

anlasst einen Zündfunken hoher Energie, der einen ionisierten | Weg für den elektrischen Strom schafft. Der Zündfunken wird ;

durch weiteres Zuleiten einer niedrigen Spannung von etwa ! 2 000 Volt aufrechterhalten und bewirkt das Zünden des mageren ^; Gemische in diesem Bereich sowie auch weiteren Gemisches, j das sich durch den Bereich der Funkenstrecke zur Drosselstelle , bewegt. Dies erfolgt während des Zeitabschnittes 2, der etwa
0,5 bis 2 Millisekunden dauert.

Wird der Zündfunken auf gleichem Energiepegel j für eine längere Zeit ohne Änderung aufrechterhalten, so ergibt I sich ein Betrieb, wie er im Zusammenhang mit der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2 beschrieben wurde. IN Fig. 5 ist jedoch eine
weitere Massnahme veranschaulicht, die eine Zündung mit einem
Plasmastrahl erhöhter Energie bewirkt. Im Punkt 3 wird ein Strom! der zu dieser Zeit eine Stärke von 10 Amp hat, über die zuvor
ionisierte Funkenstrecke geleitet. Dieser Strom wird für etwa

1 bis 2 Millisekunden aufrechterhalten, während welcher Zeit ¹ der maximale Gasstrom aus der Vorkammer ipn die Verbrennungs-

^! kammer erfolgt. Es ist dies der Zeitintervall 4. Der hohe Strom j

bewirkt die Bildung eines elektrisch ionisierten Gasplasmas, j das in der zuvor beschriebenen Weise in den Verbrennungsraum aus-f j gestossen wird und einen energiereichen Plasmastrahl zum

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Zünden der Ladling in der Verbrennungskammer bewirkt. Im Punkt 5 ist der elektrische Teil des Zündvorganges beendet und die Verbrennung in der Verbrennungskammer im Gange.

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Claims

P at en t ans ρ r ü c h e

J Brennkräftmaschine mit veränderlichem Hubvolumen, die mit einem brennbaren Gemisch mit einem Brennstoffverhältnis, das magerer als das stöchiometrische Verhältnis ist, betrieben wird, und Zündeinrichtungen zur Plasmastrahlzündung aufweist, zu denen eine mit der Verbrennungskammer über eine Drosselstelle in Verbindung stehende geschlossene Vorkammer gehört, in der eine in deren Wand befestigte Zündkerze eine Funkenstrecke zwischen der Drosselstelle und der j

Mitte der Vorkammer im Bereich hoher Turbulenz von zwischen j der Verbrennungskammer und der Vorkammer strömenden Gasen aufweist, gekennzeichnet durch eine elektrische Zündanlage (40,42,44), die mit den Zündeinrichtungeiji (56) verbunden an diesen einen Zündfunken mit einer Mindestenergie von 50 Milli joule und einer Mindeststromstärkenspitze von 150 MilliAmp erzeugt, der die Zündung des in der Vorkammer im Bereich der Funkenstrecke turbulenten mageren Luft-Brennstoffgemisches bewirkt.

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2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündanlage (56,40,42,44) ferner einen Strom einer Stärke von mindestens 5 Amp der Funkenstrecke während des Bestehens des Zündfunkens und des Abstroms von brennendem Gemisch aus der Zündkammer (52) zuleitet, um die verbrannten und brennenden Gase in ein energiereiches Plasma zu ionisieren, das die Zündung des mageren Gemisches in der Verbrennungskammer bewirkt.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der Vorkammer (52) zwischen 2 bis 10 % des Hubvolumens in der oberen Totpunktlage des

■x 2 Kolbens und zwischen 12,7 bis 38 cnr je cm Querschnitt der die Vorkammer mit der Verbrennungskammer verbindenden Drosselsteile beträgt.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündeinrichtung eine Zündkerze ist, deren Mittelelektrode sich in die Drosselstelle erstreckt und mit deren Wandung die Funkenstrecke bildet.
5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündeinrichtung eine Zündkerze (84) mit einer zur Mittelelektrode im wesentlichen parallelen Masseelektrode (87) ist, deren Funkenstrecke neben der Drosselstelle zwischen der Vorkammer undcfer Verbrennungskammer liegt.

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6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch -J gekennzeichnet, dass die Länge der Drosselstelle zwischen der j Vorkammer und der Verbrennungskammer 0,2 bis 2.0 ihres Durch- \

- . "ι messers beträgt. j

. "I
7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, dass die Zündanlage (40,42,44) den Zündfunken } für eine Zeit von nicht weniger als 1 und nicht mehr als 10 Millisekunden aufrechterhält.
8. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, bei dem das Gemisch der Verbrennungskammer und über die Drosselstelle der Vorkammer mit h©ls©ai huft-Brennstoffverhältnis honogen zugeleitet wird und ein Teil mit turbulenter Strömung im Bereich der Funkenstreck© durch die Drosselstelle in die Vorkammer gelangt, sodann in der Verbrennungskammer und der Vorkammer verdichtet wird^ dadurch j gekennzeichnet, dass der Funkenstrecke eine hohe Spannung zur j Verringerung ihres Widerstandswertes aufgedrückt wird, und einen

J Funken einer Mindestenergie von .50 Millijouleund eines Stroms einer Mindeststromstärkenspitze von 150 MilliAmp erzeugt ₉ um das im Bereich der Funkenstrecke befindliche Luft-Brennstoffgemisch zu entzünden.

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9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekenn-

zeichnet, dass eine vorgegebene Zeit nach dem Entstehen des Zündfunkens ein Strom einer Stärker zwischen 5 und 15 Amp über die Funkenstrecke geleitet wird, der die brennenden und verbrannten Gase bei ihrem Abstrom aus der Vorkammer zur Verbrennungskammer ionisiert und diese als Zündstrahl aus energiereichem Plasma in die Verbrennungskammer geleitet werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, dass der Zündfunken mindestens 1 Millisekunde aufrechterhalten wird.

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