DE2602127A1

DE2602127A1 - Mehrfach fremdgezuendeter verbrennungsmotor mit auspuffgasrueckfuehrung

Info

Publication number: DE2602127A1
Application number: DE19762602127
Authority: DE
Inventors: Yoshimasa Hayashi; Yasuo Nakajima; Tooru Yoshimura
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1975-01-22
Filing date: 1976-01-21
Publication date: 1976-07-29
Also published as: US4459804A; GB1520933A; SE422826B; FR2298692A1; FR2298692B1; CA1054879A; SE7600609L; DE2602127C2; IT1053346B

Description

München, 21. Januar 1976

Nissan Motor Company, Limited ·
Yokohama/Japan

Mehrfach fremdgezündeter Verbrennungsmotor
mit Auspuffgasrückführung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen fremdgezündeten Verbrennungsmotor, mit dem eine Erniedrigung der Emissionsrate von Stickstoffoxyden in den Auspuffgasen möglich ist und auf ein Verfahren zum Betreiben dieses Motors.

Es ist wohl bekannt, daß die Auspuffgase.aus fremdgezündeten Verbrennungsmotoren als schädliche Bestandteile Stickstoffoxyde, Kohlenmonoxyd und Kohlenwasserstoffe enthalten. Die Emissionsrate von Stickstoffoxyd (NO„) wird in

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ORIGINAL INSPECTED

dem Maße erhöht, wie der Verbrennungsprozeß in der Brennkammer verbessert wird. Umgekehrt werden die Emissionsraten für Kohlenwasserstoff (HC) und Kohlenmonoxid (CO) entsprechend der Abnahme des Verbrennungsprozesses erhöht.

Von den Emissionsraten dieser schädlichen Bestandteile können die von HC und CO auf einfache Weise durch Verbesserung der Verbrennung in der Brennkammer oder mit Hilfe eines katalytisehen Konverters oder eines thermischen Reaktors erniedrigt werden. Die Emissionsrate von NO ist jedoch weit schwieriger zu senken, weil dessen Emissionsrate in dem Maße ansteigt, wie die Verbrennungsbedingungen verbessert werden, und das einmal in der Brennkammer entstandene NO nicht so einfach durch eine Reduktion mit einem reduzierend wirkenden Katalysator zurückgebildet werden kann, weil auch dieser Katalysator Probleme hinsichtlich der Leistung und Lebensdauer aufwirft. Deshalb sind zur Zeit die größten Anstrengungen auf eine Erniedrigung der NO -Emissionsrate gerichtet. Da die NO -Emissionssteuerung erst nach der Brennkammer die vorstehend

genannten Probleme aufwirft, scheint es vorteilhafter zu sein, die Emissionssteuerung von N0_ innerhalb der Brennkammer durchzuführen. Zu diesem Zweck ist vorgeschlagen worden, einen Teil der Auspuffgase in die Brennkammer zurückzuführen, um dadurch die maximale Temperatur und den Druck der in der Brennkammer durchgeführten Verbrennung zu senken. Diese Maßnahme zur

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Steuerung der NO -Emission wird durch ein sogenanntes Auspuffgas-Rückführungssystem (EGR-System) erreicht. Es wurde festgestellt, daß mit diesem EGR-System die NO -Emissionsrate in

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dem Maße gesenkt werden kann, wie die Menge an rückgeführten Auspuffgasen erhöht wird. Jedoch ist eine stabile Betriebsweise des Motors nicht möglich, wenn die vorstehend genannte Rate zu hoch ist, so daß die Rate unter entsprechender Berücksichtigung sowohl eines stabilen Betriebes als auch der NO -Emissionssteuerung auf 6 bis 7 $ beschränkt ist.

Mit dem Anstieg der vorstehend erwähnten EGR-Rate wird das Ausmaß der NO -Emission gesenkt, wobei jedoch die Emissionsraten für HC und CO umgekehrt eine Anstiegsneigung zeigen, weil eine glatte und stabile Verbrennung in der Brennkammer unterbunden wird. Dementsprechend erfordert der Motor einen katalytischen Konverter oder einen thermischen Reaktor zur Behandlung von HC und CO in den Auspuffgasen. Für diese Behandlung von HC und CO in solch einer Vorrichtung muß die Temperatur der Auspuffgase genügend hoch gehalten werden, um die Oxydationsreaktion durchführen zu können. Zu diesem Zweck wird in konventionellen Motoren der Zündzeitpunkt verzögert, um die Vollendungszeit für die Verbrennung zu erweitern, was bewirkt, daß die Verbrennung auch noch während des Auspufftakts anhält. Diese Maßnahme verursacht jedoch eine erniedrigte Motorabgabeleistung und einen erhöhten Brennstoffverbrauch,

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was nicht mit der allgemeinen Aufgabenstellung eines nur mäßigen Energieverbrauchs vereinbar ist.

In Anbetracht dessen kann die vorstehend genannte Rate der rüekgeführten Auspuffgase nicht bei einem solchen hohen Wert angesetzt werden, so daß dadurch die Erniedrigung der NO -Emissionsrate eingeschränkt ist. Außerdem wird ein

katalytischer Konverter zum Reduzieren von NO im Auspuffsystem des Motors erforderlich, um die Erniedrigung der NO -Emissionsrate noch zusätzlich zu fördern.

Es ist deshalb die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten fremdgezündeten Verbrennungsmotor, der eine relativ hohe EGR-Rate ermöglicht und ein Verfahren zum Betreiben dieses Motors vorzuschlagen, wodurch die NO -Emissionsrate wirkungsvoll erniedrigt werden kann, ohne daß dadurch die Motorabgabeleistung und die Brennstoff Wirtschaftlichkeit erniedrigt wird. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die EGR-Rate auf einem relativ hohen Wert, etwa zwischen 10 und 50 $, zu halten und die eine so hohe Konzentration an Auspuffgasen enthaltende Charge durch eine Vielzahl von Zündkerzen in jeder Motorbrennkammer zu zünden. Außerdem besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung noch darin, einen verbesserten fremdgezündeten Verbrennungsmotor vorzusehen, bei dem eine Erniedrigung der

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Emissionsraten von CO und HC durch Erhöhung der Temperatur der Auspuffgase ohne Erniedrigung der Motorabgabeleistung und Erhöhung des Brennstoff-Verbrauchs möglich ist, obwohl es den Anschein hat, daß die Emissionsraten dieser Bestandteile durch relativ hohe EGR-Raten sich notwendigerweise erhöhen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird im Rahmen der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors mit mindestens einem Zylinder vorgeschlagen, in welchem eine Brennkammer durch einen Zylinderkopf und eine Kolbenkrone gebildet wird, welches folgende Verfahrensschritte umfaßt: Einspeisen von Brennstoff und Luft in die Brennkammer, in der ein Luft-Brennstoff-Gemisch gebildet wirdj Rückführen eines Teils der Auspuffgase mit einem Anteil von etwa 10 bis 50 Vol-$ der in diese Brennkammer eingespeisten Luftj und Zünden des Luft-Brennstoff-Gemisches, welches die rückgeführten Auspuffgase enthält, durch eine Vielzahl von Zündkerzen, wobei die Anzahl der Zündkerzen in Übereinstimmung mit dem Ansteigen der maximalen Menge von rückgeführten Auspuffgasen unter Berücksichtigung der Menge der Verbrennungsluft bestimmt wird.

Andere Aufgaben und Kennzeichen des verbesserten freradgezündeten Verbrennungsmotors und ein verbessertes Verfahren zum Betreiben dieses Motors werden aus der nachfolgenden

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Beschreibung mit den anliegenden Zeichnungen noch deutlicher erkennbar, in welchen gleiche Bezugszeichen bzw. Kennzeichen jeweils gleiche Teile und Elemente bezeichnen; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf einen vielzylindrigen fremdgezündeten Verbrennungsmotor, welcher die vorliegende Erfindung verkörpert;

Fig. 2 eine vertikale Schnittansicht eines Zylinderkopfteiles eines Zylinders aus dem Motor nach Fig. 1;

Fig. 3A und 3B eine Draufsicht auf einen Motorzylinder nach Fig. 1 bzw. eine vertikale Schnittansicht des Zylinders nach Fig. 3A;

Fig. 4A und 4B eine Draufsicht ähnlich der in Fig. 3A bzw. eine vertikale Schnittansicht ähnlich der in Fig. 3B;

Fig. 5A und 5B vertikale Schnittansichten, welche Zylinderausbildungen zeigen, wie sie in Fig. 1 verwendet werden;

Fig. 6 eine schematische horizontal verlaufende Schnittansicht des oberen Teils des in Fig. 1 dargestellten Motors;

Fig. 7 ein Diagramm, welches den Emissionsgrad von NO in Abhängigkeit von der Verbrennungszeit und der Verbrennungstemperatur zeigt}

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Fig. 8 ein Diagramm, welches die Druckveränderung in der Verbrennungskammer in Abhängigkeit von dem Grad der Kurbelwellen-Drehung zeigt;

Fig. 9 ein Diagramm, welches die Brennstoffverbrauchs-Steigerungsrate im Verhältnis zur EGR-Rate zeigt; und

Fig. 10 ein Diagramm, welches den Emissionsgrad von NO in Abhängigkeit von der Brennstoffverbrauchs-Steigerungs-

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rate und der EGR-Rate zeigt.

In Fig. 1 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors nach dem Prinzip der vorliegenden Erfindung gezeigt, in welchem der Motor insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Der Motor ist mehrzylindrig und weist im vorliegenden Fall vier Zylinder C-. bis CV auf, von denen jeder in seinem Inneren in herkömmlicher Art eine Verbrennungskammer (nicht dargestellt) enthält. Der Motor 10 ist mit einem Vergaser 12 oder mit einer Luft-Brennstoff -Gemischzufuhreinrichtung ausgerüstet, welche über eine Einlaßleitung 14 mit den Einlaßöffnungen 16a bis 16d der Zylinder Cj bis C, in Verbindung stehen. Der Vergaser 12 ist so konstruiert und ausgelegt, daß er ein Luft-Brennstoff-Gemisch mit einem Luft-Brennstoff-Verhältnis zwischen 13:1 bis 16:1 erzeugt und in die Verbrennungskammer fördert. Die Auslaßöffnungen 18a bis 18d der Zylinder C. bis C. stehen über

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gegabelte und durch den Zylinderkopf 34 des Motors 10 hindurchführende Kanäle 22a und 22b mit einer Auspuffleitung 20 in Verbindung. Die Auspuffleitung 20 funktioniert in diesem Falle als thermischer Reaktor. Es ist aber einzusehen, daß die Auspuffleitung 20 nicht die Funktion eines thermischen Reaktors, übernehmen, sondern nur als Auspuffleitung dienen soll. In diesem Falle kann der bloßen Auspuffleitung ein thermischer Reaktor oder ein katalytischer Konverter nachgeschaltet sein.

Mit der Auspuffleitung 20 ist eine Leitung 26 verbunden, welche einen Teil einer Auspuffgas-Rückführungseinrichtung bildet, wobei diese Leitung dazu dient, einen Teil der aus den Zylindern ausgestoßenen Auspuffgase wieder in die Zylinder zurückzuführen, indem der Teil dieser Auspuffgase in die in die Zylinder eintretende Ansaugluft oder Einlaßluft eingeführt wird, und welche Leitung 26 deshalb über ein Ventil 28 zum Steuern der Auspuffgasrückführung (E.GR) mit der Einlaßleitung des Vergasers 12 verbunden ist. Das Steuerventil 28 ist dazu vorgesehen, die Menge der rückgeführten Auspuffgase zu steuern, z. B. in Abhängigkeit von dem Venturi-Unterdruck, welcher in Beziehung steht mit der Menge an Ansaugluft oder Einlaßluft. Das Steuerventil 28 ist so konstruiert und ausgelegt, daß es den Mengenanteil der in die Zylinder rückgeführten Auspuffgase in Abhängigkeit von der Menge der Ansaugluft (= die Menge des Luftstroms, der in die Motorzylinder fließt)

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in der Größenordnung von 10 bis 50 Vol-$, vorzugsweise in der Größenordnung von 15 "bis 17 Vol-$ im Mittel und 25 "bis 40 Vol-# als Maximum, einpegelt. Diese Mengen sollen im folgenden als EGR-Raten bezeichnet werden. Wenn auch, nur der Vergaser 12 als Luft-Brennstoff -Gemi schzuführungs einrichtung dargestellt und beschrieben worden ist, ist es doch offensichtlich, daß auch ein Brennstoff-Einspritzsystem verwendet werden kann.

Fig. 2 stellt die Zylinderkopfkonstruktion des Zylinders Cp dar. Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, ist ein Auspuff ventil 30 in Funktionsstellung in der Auspufföffnung 18b angeordnet, an welche sich ein sich gabelnder Kanal 22a anschließt. Durch den Zylinderkopf 34 sind zwei Zündkerzen 32a und 32b hindurchgesteckt, welche sich soweit in die Brennkammer 36 erstrecken, daß sie nahe der Peripherie der Brennkammer 36 und in gegenseitigem Abstand von der Mittelachse Ac angeordnet sind, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.

Mit der vorstehend erwähnten Anordnung soll nach der Vorstellung der Erfinder das Luft-Brennstoff-Gemisch, welches eine beträchtliche Menge an unverbrennbaren, rückgeführten Auspuffgasen enthält, mit Hilfe einer hohen Zündenergie, welche durch eine Vielzahl von Zündkerzen erzeugt wird, in der Brennkammer 36 wirkungsvoll und zuverlässig verbrannt werden, wobei die Zündungen durch die zwei Zündkerzen entweder gleichzeitig

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oder innerhalb der Zündzeit nacheinander ausgeführt werden können. Diese Vorstellung wird verwirklicht durch Vermehrung und Festlegung der Anzahl der innerhalb der Brennkammer angeordneten Zündkerzen in Übereinstimmung mit dem Anstieg des Maximalwertes der EGR-Rate. Wenn das Luft-Brennstoff-Gemisch durch die Vielzahl der vorstehend erwähnten Zündkerzen gezündet wird, wird es in der Brennkammer verbrannt, so daß eine Mehrzahl von Flammenfronten nahe der inneren Wandoberfläche der Brennkammer, der sogenannten Dämpfungsfläche (quench area), erzeugt wird. Diese bewegen sich zum Zentrum der Brennkammer hin und erhitzen sich auf eine höhere Temperatur. Dadurch wird die Funkenstrecke verkürzt, verglichen mit einem konventionellen Motor mit nur einer Zündkerze pro Zylinder. Diese Verbrennung nach der vorliegenden Erfindung vollzieht sich schneller und vollständiger im mittleren Bereich der Brennkammer bei einer hohen Temperatur, wodurch eine stabile und gleichmäßige Verbrennung erreicht wird. Das ergibt einen ruhigen Lauf des Motors, auch wenn beträchtliche Mengen von Auspuffgasen in der Brennkammer vorhanden sind. Die verkürzte Verbrennungszeit führt zu einer Erniedrigung der Emissionsrate an Stickstoffoxyden (NO ) in den Auspuffgasen, weil die Emissionsrate mit der Verkürzung der Verbrennungszeit eine abnehmende Tendenz zeigt, wie dies aus Fig. 7 ersehen werden kann. Außerdem wird auch die Emissionsrate der Kohlenwasserstoffe (HC) wirksam herabgesetzt, weil die Verbrennung in der Brennkammer von der soge-

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nannten Dämpfungsfläche aus erfolgt, d. h. einer Fläche, welche auf eine Temperatur gekühlt wird, bei welcher Temperatur die Flamme an sich erlischt. Im Rahmen der Erfindung wurde nun gefunden, daß der erfindungsgemäße Motor auch noch stabil betrieben werden kann, wenn eine beachtenswert hohe EGR-Rate, etwa 10 bis 50 $ angewandt wird. Gewöhnliche Motoren, welche nur eine Zündkerze pro Brennkammer haben, können bei einer EGR-Rate von mehr als 6 bis 7 $> nicht mehr stabil betrieben werden.

Der NO-Abnahmeeffekt zur Steigerung der EGR-Rate macht einen Motorbetrieb bei einem Luft-Brennstoff-Gemisch mit einem Luft-Brennstoff-Verhältnis nahe dem stöehiometrischen Verhältnis (15:1 für Benzin oder Petrol) möglich, bei welchem der Brennstoffverbrauch optimiert ist. Versuche haben auch gezeigt, daß Brennstoffe mit einer niedrigen Oktanzahl verwendet werden können, wenn die EGR-Rate hoch ist. Außerdem kann ein Brennstoff mit einer niedrigen Oktanzahl im Motor nach der vorliegenden Erfindung verwendet werden, ohne daß ein Klopfen des Motors auftritt. Demzufolge kann' das Kompressionsverhältnis des Motors auf 8 oder 10:1 erhöht werden, was zu einem Ansteigen der Mqtorausgangsleistung beiträgt. Die das Klopfen des Motors unterdrückende Tendenz erlaubt es, die obere Grenze der Motorkühltemperatur auf ungefähr 80 bis 120° C an zuheben. Deshalb ist die innere Wand der Brennkammer nicht über-

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mäßig stark gekühlt und auf einer relativ hohen Temperatur gehalten. Daraus folgt eine Abnahme der Emissionsraten von HC, welche sich nun bevorzugt an den inneren Wänden der Brennkammer bilden.

Bezüglich Fig. 8 ist der Zündzeitpunkt des Motors nach der vorliegenden Erfindung nur minimal vorgestellt, um das beste Drehmoment (MBT) zu erreichen. Deshalb liegt der Zündzeitpunkt sehr nahe bei dem oberen Totpunkt (TDC), d. h. bei einem Punkt P„ 10° bis 15° näher an TDC als der Punkt

Ρ-, eines konventionellen Motors, wie klar ersichtlich ist. Dies b

ist möglich, weil die Brennzeit in der Brennkammer verkürzt ist und der Druck in der Brennkammer weit schneller seinen Höchstwert erreicht. Dieser Zündvorgriff macht eine Reduzierung des Energieverlustes möglich, welche durch den schräg linierten Bereich in Fig. 8 dargestellt ist. Die Kurven a und b zeigen die Druckveränderungen in den Brennkammern der vorliegenden Erfindung bzw. eines konventionellen Motors in Abhängigkeit vom Grad der Kurbelwellendrehung an. Mit anderen Worten heißt das, daß der Motor nach der vorliegenden Erfindung weit wirtschaftlicher ist, weil weniger Kraft auf den Kolben wirkt, bevor dieser seinen oberen Totpunkt erreicht.

Als Ergebnis der oben genannten wirtschaftlichen Ausnutzung der Brennstoffenergie ist der Brennstoffverbrauch des

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Motors nach der vorliegenden Erfindung merklich, günstiger als der eines konventionellen Motors, wie dies aus Pig. 9 hervorgeht, in welcher die Kurven a und b die ansteigende Brennstoffverbrauchsrate eines Motors nach der vorliegenden Erfindung bzw. eines konventionellen Motors in Abhängigkeit von der EGR-Rate zeigen.

Fig. 10 zeigt die ansteigende Brennstoffverbrauchsrate in Abhängigkeit vom NO -Emissionsgrad und der EGR-Rate, wobei die Kurven a und b Beispiele für einen Motor nach der Erfindung bzw. für einen konventionellen Motor darstellen. Es ist bekannt, daß der Emissionsgrad von NO _ durch Einführen eines Luft-Brennstoff-Gemisches mit einem Luft-Brennstoff-Verhältnis nahe dem stöchiomeirischen Verhältnis seinen größten Wert annimmt, während er abnimmt, wenn das Luft-Brennstoff-Gemisch verdünnt oder angereichert wird. Es hat sich gezeigt, daß die Verbrennung instabil wird, wenn eine Auspuffgasrückführung erfolgt, so daß der Motor nach der vorliegenden Erfindung vorzugsweise mit einem Luft-Brennstoff-Gemisch nahe dem stöchiometrischen Verhältnis oder reicher versorgt werden muß, z. B. mit einem Gemisch, dessen Luft-Brennstoff-Verhältnis zwischen 13:1 und 16:1 liegt. Die Kurve a*, welche von der Kurve a abzweigt, zeigt den Betrieb mit einem Luft-Brennstoff-Gemisch im stöchiometrischen Verhältnis und die Kurven ap, a^ und a, zeigen den Betrieb mit einem schrittweise reicher

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gemachten Gemisch. Wie aus der Figur ersichtlich ist, wird bei Ansteigen der EGR-Rate des erfindungsgemäßen Motors die Emissionsrate von NO verkleinert, wobei jedoch der Brennstoffverbrauch ansteigt. Jedoch ist mit einem konventionellen Motor wegen des Auftretens von Fehlzündungen, welche in den Kurven b.] bis b, in Fig. 10 mit dem Symbol χ bezeichnet sind,es nicht möglich, bei einer hohen EGR-Rate zu arbeiten. Diese Fehlzündung beschränkt die NO -Emissionssteuerung durch die Auspuffgasrückführung auf einen bestimmten Wert, wie durch das Symbol χ angedeutet ist, weshalb auch der konventionelle Motor reichere Luft-Brennstoff-Gemische als durch die Kurven bg, b-, und b, angedeutet ist, erfordert, um die Emissionsrate von NO„ zu senken. Demzufolge ist eine Verschlechterung bei der wirtschaftlichen Brennstoff ausnutzung bei den konventionellen Motoren unvermeidlich.

Die Fig. 3A und 3B zeigen im Detail die Lage der Zündkerzen in dem Zylinder Cp, in welchem zwei Zündkerzen 32a und 32b innerhalb einer Brennkammer 36 eines Badewannen-Typs angeordnet sind. Die Brennkammer 36 ist im Zylinder C^ durch den Zylinderkopf 34 und die Krone des Kolbens 38 bestimmt, welcher innerhalb des Zylinders C₂ reziprok angeordnet ist. In der Brennkammer 36 sind außerdem die Einlaßöffnung 16b und die Auspufföffnung 18b dargestellt, welche so angeordnet sind, daß sie durch das Einlaßventil bzw. durch das Auslaßventil

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geöffnet und geschlossen werden können. Wie außerdem gezeigt ist, sind die zwei Zündkerzen 32a und 32b soweit wie möglich, von der Mittelachse Ac der Brennkammer 36 oder des Zylinders Ο« entfernt und sind auch, voneinander räumlich getrennt. Außerdem liegen diese Zündkerzen 32a und 32b bezüglich dieser Mittelachse Ac der Brennkammer einander gegenüber und haben im wesentlichen den gleichen Abstand gegenüber dieser Mittelachse Ac. Die Zündkerzen 32a und 32b können auch ungleichen Abstand von der Mittelachse Ac haben. Die im Rahmen der Erfindung gemachten Untersuchungen zeigen nämlich, daß der erfindungsgemäße Motor am stabilsten läuft, wenn die zwei Zündkerzen wie folgt angeordnet sind: Es sei angenommen, daß der Radius der Brennkammer C- gleich R ist und daß die kleinsten Entfernungen der zwei Zündkerzen 32a und 32b von der Mittelachse Ac gleich r sind, dann liegt jede der Zündkerzen im Bereich von r/R =0,3 bis 1,0. Außerdem bilden die zwei Zündkerzen einen Winkel von 140° bis 180° im Hinblick auf die Mittelachse Ac der Brennkammer 36.

Bei den konventionellen Motoren ist es üblich, daß die Brennkammer mit einer Vermischungs- bzw. Vermengungsfläche (squish area) ausgestattet ist, durch welche das Luft-Brennstoff-Gemisch in der Brennkammer zur Verwirbelung gezwungen und dadurch wirkungsvoller verbrannt wird. Jedoch besteht bei den konventionellen Motoren das Problem, daß die Emissionsrate von

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Kohlenwasserstoffen (HC) durch die Anwendung einer komplizierten Brennkammerkonstruktion, d. h. einer Brennkammer mit einer Vermischungsfläche, ansteigt. Von diesem Gesichtspunkt aus verwenden die Erfinder vorzugsweise eine einfache Brennkammerkonstruktion, welche nicht mit einer Vermischungsfläche ausgestattet ist. Aus diesem Grunde ist die Brennkammer 36, welche durch die innere Oberfläche des Zylinderkopfes 34 bestimmt ist, grundsätzlich in Form eines Rotationskörpers ausgebildet, bei dem die Mittelachse der Brennkammer als Rotationsachse vorgesehen ist. Solche Formen von Brennkammern sind beispielsweise in den Fig. 3A bis 3B dargestellt, von denen die Figuren 3A und 3B den Badewannen-Typ, die Fig. 4A und 4B den Halbkugel-Typ und die Fig. 5A und 5B Typen zeigen, bei denen vertiefte Kolben 38* bzw. 38" vorgesehen sind. Die Vereinfachung der Form der Brennkammer führt zu einer Abnahme des Verhältnisses der Oberfläche S der Brennkammer gegenüber dem Volumen V derselben, d. h. dem Verhältnis S/V. Die Dämpfungsfläche (quench area) und demzufolge die Kohlenwasserstoff-Emissionsraten nehmen somit ab. Außerdem kann die einfache Konstruktion der Brennkammer sehr einfach auf maschinelle Weise hergestellt werden, verglichen mit einer Brennkammer mit komplizierteren Ausbildungen. Demzufolge ist es einfacher, die Wirkungsvolumina einer Mehrzahl von Brennkammern bei einem Mehrzylinder-Verbrennungsmotor zu vereinheitlichen. Eine weitere Abnahme in der Kohlenwasserstoff-Emissionsrate wird durch eine

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glatte Oberfläche der Brennkammer erzielt, was durch. Einschleifen erreicht wird, wobei dieses Einschleifen erst möglich ist, wenn eine einfache Konstruktion verwendet wird.

Zur weiteren Verbesserung der Wirkung der vorliegenden Erfindung kann jede der Zündkerzen 32a und 32b vorzugsweise eine hohe Zündenergie im Bereich von 25 bis 100 mj (miri-joule) entwickeln, um das in der Brennkammer vorhandene Luft-Brennstoff-Gemisch zuverlässig zu zünden. Eine in einem gewöhnlichen Motor verwendete Zündkerze kann gewöhnlich ungefähr 20 mj erzeugen, die in Übereinstimmung mit dem Volumen der Brennkammer geringfügig verändert werden können.

Fig. 6 zeigt die Auspufföffnungsanordnung, welche die Entwicklung von HC und CO im Rahmen der vorliegenden Erfindung günstig regeln soll. Wie ersichtlich ist, sind die zwei Auspuff öffnungen der zwei benachbarten Zylinder, z. B. Cj und Cp, im Zylinderblock 24 zusammengefaßt und ineinander verzweigt, um eine sich gabelnde Auspufföffnung 22a zu bilden. In Anbetracht dieser sich gabelnden Öffnungen ist die Auspufftemperatur relativ hoch gehalten, d. h. Experimente zeigen, daß die Auspuff temperatur 100 bis 150° C höher gehalten ist als bei anderen Konstruktionen der Auspufföffnungen. Demzufolge können die unverbrannten HC- und CO-Anteile in den Auspuffgasen im Auspuffsystem 20 des Motors 10 verbrannt werden, wobei sie aber auch

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noch anschließend wirksam durch einen Nachbrenner, wie z.B. einen katalytisehen Konverter oder einen thermischen Reaktor, verbrannt werden, welcher an das Auspuffsystem 20 angeschlossen werden kann. In diesem Zusammenhang wird bei einem konventionellen' Motor der Zündzeitpunkt verzögert, um die Auspufftemperatur hoch zu halten. Auf der anderen Seite erfordert der Motor nach der vorliegenden Erfindung aus den im Vorstehenden angegebenen Gründen nicht dieses Verzögern des Zündzeitpunktes, um die Emissionsrate des unverbrannten HC und CO zu erniedrigen und deshalb ist der Zündzeitpunkt des erfindungsgemäßen Motors auf optimale Bedingungen eingestellt, bei denen die Motorabgabeleistung und die BrennstoffWirtschaftlichkeit nicht vermindert sind. Die Einführung der gegabelten Öffnungen trägt in großartiger Weise zur Lösung des Problems des Motorbetriebs mit einer hohen EGR-Rate bei, wobei die NO -Emissionsrate vermindert, die Emissionsraten von HC und CO aber erhöht werden können. Es versteht sich von selbst, daß mehr als zwei Auspufföffnungen auf diese Weise verbunden werden können, obwohl dies nicht besonders dargestellt ist. Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, sind die Zentren C. und C der Einlaß- und Auspufföffnungsbereiche, welche zur Brennkammer hin offen sind, bezüglich der und weit entfernt von der Achse Ax, welche durch das Zentrum des Zylinders verläuft und unter einem rechten Winkel die Längsachse Ae des Zylinderkopfes schneidet, in den verschiedenen Ausrichtungen zueinander angeordnet.

In den Beispielen der Fig. 1 und 6 wird der die Temperatur aufrechterhaltende Effekt der Auspuffgase in Folge der sich gabelnden Öffnungen dadurch begünstigt, daß der Zylinderkopf aus Gußeisen hergestellt wird, welches eine relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit "besitzt. Wenn der Zylinderkopf jedoch aus "einer Aluminiumlegierung hergestellt wird, ist es vorteilhaft, zur Vermeidung eines Temperaturabfalls in den Auspuffkanälen geeignete Kanalausfütterungen 23 einzubauen, wie diesin Fig. 6 dargestellt ist. Es versteht sich, daß die Verwendung von Kanalausfütterungen sehr wirkungsvoll zur Aufrechterhaltung der Auspuffgas-Temperatur ist, insbesondere wenn die sich gabelnde Kanalausbildung nicht angewandt wird. Das Auspuffsystem des Motors kann außerdem mit einem Turbo-SuperFörderer ausgerüstet sein, welcher eine durch die hocherhitzten, aus den sich gabelnden Kanälen ausströmenden Auspuffgase rotierte Turbine aufweist, wodurch die Energie der hocherhitzten Auspuffgase wirkungsvoll zurückgewonnen werden kann.

Wie aus.den Fig. 1 und 6 ersichtlich ist, weist der Motor 10 der vorliegenden Erfindung einen Kreuzfluß-Einlaß-Auspuff-Zylinderkopf auf, in welchem die Einlaßöffnung 16a auf der einen Seite des Zylinderkopfes 34 des Motors 10 ausgebildet ist, um mit dem Schieber (runner) der Einlaßleitung verbunden zu sein, wohingegen die Auspuff öffnung 18a auf der gegenüberliegenden Seite dieses Zylinderkopfes vorgesehen ist,

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um mit dem Schieber (runner) der Auspuffleitung 20 verbunden zu sein. Diese Ausbildung der Einlaß- und Auspufföffnungen trägt zu einem Anstieg des Reinigungswirkungsgrades und des volumetrisehen Wirkungsgrades des Motors bei, was die sichere Verbrennung in der Brennkammer begünstigt und die Motorabgabeleistung verbessert. Deshalb wird die Motorabgabeleistung auch nicht verringert, selbst wenn die EGR-Rate beachtlich hoch ist, obwohl ein Abfallen der Motorabgabeleistung bei einer hohen EGR-Rate bei den konventionellen Motoren unvermeidlich ist. Dank der Kreuzfluß-Einlaß-Auspuff-Zylinderkopfkonstruktion wird der Auspuffkanal durch die angesaugte Luft, welche durch den Einlaßkanal einströmt, nicht abgekühlt und dementsprechend wird auch die thermische Oxidationsreaktion von HC und CO im Auspuffsystem nicht beeinträchtigt.

IJm eine effektivere Kontrolle der Luftverunreinigung zu ermöglichen, kann das Auspuffsystem des Motors nach der vorliegenden Erfindung mit einem Oxydationskatalysator, einem Reduktionskatalysator oder einem thermischen Reaktor oder einer Katalysatorkombination, welche eine Verminderung der ,Emissionsraten von HC, CO und N0„ bewirkt und mit einer Luft-Brennstoff-Verhältnissteuerungseinrichtung ausgerüstet werden, welche zur Steuerung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des in die Brennkammer eingespeisten Luft-Brennstoff-Gemisches in Abhängigkeit von den Bedingungen der Auspuffgase vorgesehen ist.

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Claims

Patentansprüche

1.yVerfahren zum Betreiben eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors mit mindestens einem Zylinder, in welchem eine Brennkammer durch einen Zylinderkopf und eine Kolbenkrone gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß Brennstoff und Luft in die Brennkammer (36) eingespeist werden, in welcher dann ein Luft-Brennstoff-Gemisch gebildet wirdj daß ein Teil der Auspuffgase mit einem Anteil von etwa 10 bis 50 Vol-$ der eingespeisten Luft in diese Brennkammer (36) zurückgeführt wird; und daß das Luft-Brennstoff-Gemisch, welches die rückgeführten Auspuffgase enthält, durch eine Vielzahl von Zündkerzen (32a,b) gezündet wird, wobei die Anzahl der Zündkerzen (32a,b) in Übereinstimmung mit dem Ansteigen der maximalen Menge von rückgeführten Auspuffgasen unter Berücksichtigung der Menge an Verbrennungsluft bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die rückgeführten Auspuffgase enthaltende Luft-Brennstoff-Gemisch durch mindestens zwei Zündkerzen (32a,b) gezündet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die rückgeführten Auspuffgase enthaltende Luft-Brennstoff-Gemisch gleichzeitig durch zwei Zündkerzen (32a, b) gezündet wird.

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4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die Auspuffgase enthaltende Luft-Brennstoff-Gemisch zuerst durch eine der zwei Zündkerzen (32a,b) und darauf durch die andere Zündkerze gezündet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Verbrennung des Luft-Brennstoff-Gemisches entstandenen Auspuffgase nachverbrannt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der durch Verbrennen des Luft-Brennstoff-Gemisches entstandenen Auspuffgase auf einem hohen Niveau gehalten wird, wodurch die Nachverbrennung dieser Auspuffgase in einer nachgeschalteten Nachverbrennungseinrichtung unterstützt wird.

7. Fremdge zündet er Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder, in·welchem eine Brennkammer durch einen Zylinderkopf und eine Kolbenkrone gebildet ist, zum Durchführen des Verfahrens nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß dieser die folgenden Einrichtungen umfaßt:

eine Luft-Brennstoff-Gemisch-Einspeiseeinrichtung zum Herstellen eines Luft-Brennstoff-Gemisches in der Brennkammer (36) durch Mischen einer mit Brennstoff versetzten Luft in der Brennkammer (36);

eine Auspuffgas-Eückführungseinrichtung (26,28) zum Rückführen eines Teils des Auspuffgases zusammen mit der einzuspeisenden Luft in diese Brennkammer (36), welche

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Einrichtung (26,28) Elemente (28) zum Steuern der Menge der' •rückgeführten Auspuffgase in der Größenordnung von 10 bis 50 Vol.-$, gemessen am Anteil der eingespeisten Luft, enthält; und

eine Vielzahl von Zündkerzen (32a,32b), welche innerhalb der Brennkammer (36) zum zuverlässigen Zünden des die rückgeführten Auspuffgase enthaltenden Luft-Brennstoff-Gemisches vorgesehen sind, wobei die Anzahl der Zündkerzen (32a, b) in Übereinstimmung mit dem Anstieg der maximalen Menge, der rückgeführten Auspuffgase in Abhängigkeit von der Menge der eingespeisten Luft bestimmt ist.

8. Motor nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Luft-Brennstoff -Einspeisevorrichtung (12,14) eine Vorrichtung zum Festsetzen des Luft-Brennstoff-Gemisches auf ein Luft-Brennstoff-Verhältnis im Bereich von 13s 1 "bis 16:1.

9. Motor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die innere Oberfläche des Zylinderkopfes (34) festgelegte obere Bereich der Brennkammer (36) grundsätzlich in Gestalt eines Rotationskörpers ausgebildet ist, wobei die Mittelachse (Ac) der Brennkammer (36) als Rotationsachse vorgesehen ist.

10. Motor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Vorrichtungs ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Mehrzahl der in der Brennkammer (36) vorgesehenen Zündkerzen zwei Zündkerzen (32a,b) vorgesehen sind, welche durch den Zylinderkopf

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(34) hindurch in die Brennkammer (36) hineinragen und voneinander einen räumlichen Abstand einhalten.

11. Motor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der kleinste Abstand einer jeden Zündkerze (32a, b) von der Mittelachse (Ac) des Zylinders im Bereich von 0,3 bis 1,0 mal dem Radius des Zylinders liegt.

12. Motor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der zwei Zündkerzen (32a,b) in einem Winkel von 140° bis 180°, bezogen auf die Mittelachse (Ac) der Brennkammer (36), vorgesehen iBt.

13· Motor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich die zwei Zündkerzen (32a,b), bezogen auf die Mittelachse (Ac) des Zylinders, gegenüberliegen und im wesentlichen abstandsgleich von dieser Mittelachse (Ac) angeordnet sind.

14· Motor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jede der zwei Zündkerzen (32a, b) einen Zündfunken mit einer Intensität im Bereich von 25 "bis 100 mg erzeugt.

15. Motor nach einem der vorangehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieser eine geradzahlige Vielzahl von Brennkammern (36) aufweist.

16. Motor,nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei

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Auspufföffnungen (18a, 18b) jeweils zweier benachbarter Zylinder miteinander verbunden sind und gegabelte Auspuffkanäle (22a, 22b) aufweisen (Fig. 6).

17. Motor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkopf (34) in einer Kreuzfluß-Einspeise-Auspuff-Konstruktion ausgebildet ist.

18. Motor nach einem der vorangehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (36) in Form des Badewannen-Typs ausgebildet ist (Fig. 3B).

19. Motor nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (36) in Form eines Halbkugel-Typs ausgebildet ist (Fig. 4B).

20. Motor nach einem der Ansprüche 7 bis 17» dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (36) in Form eines Reiher-Typs (heron type) ausgebildet ist.

21. Motor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (38^f,38") an seiner brennkammerseitigen Stirnseite eine Vertiefung aufweist (Fig. 5A, 5B).

22. Motor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der gegabelten Auspuffkanäle (22a,22b) zur Verhinderung eines Temperaturabfalls der durch sie hindurchgeführten

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Auspuffgase mit einer Kanalausfütterung (23) versehen ist (Pig. 6).

23. Motor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentren (C-,C₀) der Einlaß- und AuspuffÖffnungsbereiche (16a...dj18a...d), welche sich zu jeder Brennkammer (36) hin öffnen, bezüglich der Achse (Ax), jedoch weit entfernt von dieser Achse (Ax), welche durch das Zentrum des Zylinders verläuft und unter einem rechten Winkel die Längsachse (Ac) des Zylinderkopfes (34) schneidet, in verschiedenen Richtungen zueinander angeordnet sind (Fig. 6).

24. Motor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß an die Auspuffkanäle (22a, 22b) eine Nachverbrennungseinrichtung zum Nachverbrennen der aus der Brennkammer (36) des Motors (10) ausgestossenen Auspuffgase angeschlossen ist.

25. Motor nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß diese Nachverbrennungs einrichtung einen thermischen Reaktor umfaßt.

26. Motor nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß diese Nachverbrennungseinrichtung einen katalytischen Konverter umfaßt.

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