DE2631762C2

DE2631762C2 - Verbrennungsmotor mit Brennstoffeinspritzung und Vorkammer-Fackelzündung

Info

Publication number: DE2631762C2
Application number: DE2631762A
Authority: DE
Inventors: Lev Abramovi&ccaron; Moskva Gussak; Niyazi Abulkasim Ogly Kerimov; Konstantin Michailovi&ccaron; Gor'kij Maskenskov; Rafik Israfil ogly Baku Mechtjev; Nikolaj Gavrilovi&ccaron; Gor'kij Mozochin; Ruslan D&zcaron;afarovi&ccaron; Baku Tagiev; Malik Achmed Ogly Talybov
Original assignee: AZERBAJDZANSKIJ POLITECHNICESKIJ INSTITUT IMENI CINGIZA ILDRYMA BAKU SU; GOR'KOVSKIJ AVTOMOBIL'NYJ ZAVOD GOR'KIJ SU; INSTITUT CHIMICESKOJ FIZIKI AKADEMII NAUK SSSR MOSKVA SU
Current assignee: AZERBAJDZANSKIJ POLITECHNICESKIJ INSTITUT IMENI CINGIZA ILDRYMA BAKU SU; GOR'KOVSKIJ AVTOMOBIL'NYJ ZAVOD GOR'KIJ SU; INSTITUT CHIMICESKOJ FIZIKI AKADEMII NAUK SSSR MOSKVA SU
Priority date: 1976-07-15
Filing date: 1976-07-15
Publication date: 1982-10-14
Also published as: DE2631762A1

Description

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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor mit Brennstoffeinspritzung und Vorkammer-Fackelzündung und einer Zündkerze in der Vorkammer, bei dem mindestens eine in eine Verbrennungskammer mündende Vorkammeröffnung und mindestens eine Einspritzdüse in der Vorkammer einander gegenüber angeordnet sind und der Brennstoffstrahl während des Einspritzens in der Vorkammer ein im Verhältnis zu deren Volumen relativ kleines Volumen einnimmt sowie im wesentlichen in die Vorkammeröffnung eintritt und dabei deren Querschnitt ausfüllt Ein solcher Verbrennungsmotor ist aus der DE-OS 76 002 bekannt.

Bei dieser bekannten Ausbildung geht es darum sicherzustellen, daß auch bei armem Gemisch in der Nähe der Zündkerze immer ein ausreichend zündfähiges Gemisch vorhanden ist Zu diesem Zweck stellt die Vorkammeröffnung die einzige Verbindung zwischen der Vorkammer und der Verbrennungskammer dar und ist im Querschnitt ziemlich klein bemessen. Zu Beginn es des Einspritzvorgangs tritt der Kraftstoffstrahl ziemlich scharf gebündelt durch die Vorkammeröffnung in die Verbrennungskammer und gegen Ende des Einspritzvorgangs, das zusammenfällt mit dem Ende des Verdichtungshubs, wird die Geschwindigkeit der in die Vorkammer einströmenden Zylinderladung so groß, daß der Kraftstoff nicht mehr aus der Vorkammer austritt, sondern in dieser verbleibt und somit hier ein reicheres und damit zündwilligeres Gemisch bildet. Die Ausfüllung des Vorkammeröffnungsquerschnitts durch den Brennstoffstrahl findet also nur übergangsweise zwischen den beiden genannten Phasen statt. Der Brennstoffstrahl hat zu Keinem Zeitpunkt einen Einfluß auf die Strömungsverhältnisse in der Vorkammeröffnung, sondern sein Verlauf hängt im Gegenteil von diesen ab.

Bei dem bekannten Motor wird die Luft zur Bildung des Brennstoff-Luft-Gemisches in der Vorkammer während des Verdichtungstakt es in diese verdrängt Da die Vorkammer nicht durchgeblasen wird, bleiben die vom vorigen Arbeitsspiel gebliebenen Abgase völlig in der Vorkammer zunick und diese verunreinigen das neue Brennstoff-Luft-Gemisch in der Vorkammer, das nachfolgend das Vorkammergemisch genannt werden soll.

Bei den bekannten Motoren ist zur Sicherstellung der f erforderlichen Zusammensetzung des Vorkammerge- j misches der Rauminhalt der Vorkammer relativ groß bemessen und liegt über 30% des Gesamtrauminhaltes ; der Verbrennungskammer, d.h. der Summe der Rauminhalte von Vorkammer und Verbrennungskammer. Ein derartig hoher Rauminhalt der Vorkammer verursac! t einen übermäßigen Druckgefälleanstieg zwischen der Vorkammer und der Verbrennungskammer während der Brennstoffverbrennung, wodurch die Ausströmgeschwindigkeit und die Schlagweite der Vorkammerfackel der Brenngase bedeutend erhöht werden und die wärme- und gasdynamischen Verlust entsprechend ansteigen. Außerdem führt dies zu einer unzulässigen »Härte« des Motorlaufs bei maximalen Belastungen, was stärkere Geräusche und eine wesentliche Kürzung der Lebensdauer des Motors mit sich bringt Darüber hinaus führt der übermäßig große Rauminhalt der Vorkammer zu einer größeren Instabilität des Arbeitsspiels und folglich zu einer Verschlechterung der Sparsamkeit im Kraftstoffverbrauch.

In den bekannten Verbrennungsmotoren schwankt die Brennstoffmenge in der Vorkammer bei verschiedenen Betriebszuständen in einem weiten Bereich, während die in die Vorkammer gelangende Luftmenge praktisch unverändert bleibt Die Folge davon ist, daß die Zusammensetzung des Vorkammergemisches sich in ziemlich weiten Grenzen ändert, was deswegen nachteilig ist, weil die höchste Effektivität des Arbeitsprozesses erreicht wird, wenn die Zusammensetzung des Vorkammergemisches bei sämtlichen Betriebszuständen einem Luftüberschußfaktor «=0,5-r0,9 entspricht, d. h.das Verhältnis der wirklichen Luftmenge im Brennstoff-Luft-Gemisch zur stöchiometrischen Luf tmenge 0,5 -s- 0,9 beträgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor mit Brennstoffeinspritzung und Vorkammer-Fackelzündung zu schaffen, bei dem auch eine kleinvolumige Vorkammer wirksam durchgeblasen und von verbrannten Gasen gereinigt wird, sowie bei dem die Bildung eines Brennstoff-Luft-Gemisches von einer optimalen Zusammensetzung im gesamten Bereich der Betriebszustände des Motors gewährleistet ist

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in der Vorkammer in der Nähe der Einspritzdüse mindestens ein Kanal ausgeführt ist, der die Verbrennungskammer

zusätzlich mit der Vorkammer verbindet, und die Einspritzdüse in einem die Ausfüllung des Vorkammer· Öffnungsquerschnitts durch den Brennstoffstrahl gewährleistenden Abstand von der Vorkammeröffnung angeordnet ist, wobei das durch den Brennstoffstrahl in der Vorkammer eingenommene Volumen 0.05-5-0,25 des Volumens der Vorkammer beträgt

An sich ist aus der DE-PS 8 32 960 ein Verbrennungsmotor mit einer Vorkammer bekannt, wobei diese ζ ./ei öffnungen aufweist und gegenüber der einen, in die Verbrennungskammer mündenden Vorkammeröffnung die Einspritzdüse in der Vorkammer angeordnet ist sowie der Bre.-.nstoffstrahl während des Einspritzens den ihm vorgelagerten Vorkammeröffnungsquerschnitt ausfüllt. Weiterhin ist durch die andere als Kanal ausgebildete öffnung dei Vorkammer diese ebenfalls mit der Verbrennungskammer verbunden und beim Einspritzen wird durch diese aufgrund des Ejektoreffekts Luft in die Vorkammer gesaugt. Bei dieser Ausbildung geht es jedoch nicht um eine Vorkammer-Fackelzündung; die Vorkammer ist sehr klein und in ihr findet keine Verbrennung statt, sondern sie dient nur zur .besseren Durchmischung des Brennstoffs mit der Luft, "indem die Vorkammeröffnung so dicht bei der Einspritzdüse liegt, daß sie selbst bezüglich der Verbrennungskammer noch als Düse wirkt

Aus der AT-PS 149 803 ist ebenfalls noch ein Verbrennungsmotor mit einer vom Zylinderraum abgetrennten und mit diesem über zwei öffnungen verbundenen Kammer bekannt, bei der es sich aber um die Verbrennungskammer selbst handelt; im Zylinder ist praktisch kein Verbrennungsraum mehr vorhanden. Außerdem handelt es sich hier um einen Dieselmotor.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit Vorkammer-Fackelzündung entspricht die Querschnittsfläche des Kanals etwa der Fläche des Austrittsquerschnitts der Vorkammeröffnung. Bei einer solchen Wahl der Querschnitte des Kanals und der Vorkammeröffnung wird ein besonders wirksames Durchblasen der Vorkammer und Entfernung der Abgase sowie optimale Zusammensetzung des Brennstoff-Luft-Gemisches im gesamten Bereich der Betriebszustände des Motors gewährleistet.

Weiterhin ist es zweckmäßig, den Austrittsquerschnitt der Vorkammeröffnung so anzuordnen, daß er durch den Kolbenboden bei dessen Stellung im oberen Totpunkt überdeckt wird. Hierbei wird die Ausströmungsenergie der Vorkammerfackel der Brenngase auf einem ausr"ichenden Niveau aufrechterhalten.

Es kann auch zweckmäßig sein, den Kanal so anzuordnen, daß sein in die Verbrennungskammer mündendes Ende durch den Kolbenboden bei dessen Stellung im oberen Totpunkt überdeckt wird. Bei einer solchen Ausbildung kommt es zu einer schichtweisen Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemisches in der Verbrennungskammer, was seinerseits zu einer Verringerung der Konzentration der toxischen Bestandteile der Auspuffgase wie Stickstoffoxyde (NO), Kohleno_Ayd (CO) und nichtverbrannte Kohlenwasserstoffe (CH) führt

Durch die erfmdungsgemäße Ausbildung des Verbrennungsmotors mit Brennstoffeinspritzung und Vorkammer-Fackelzündung kann eine im Vergleich üblichen Kraftwagen-Vergasermotoren um bis zu lO-f-25% höhere Leistung und ein um bis zu 10-r-15% niedrigerer spezifischer Brennstoffverbrauch erzielt werden sowie die Toxizität der Auspuffgase iin normalen Betrieb um das 4-7-6fache verringert werden und in Vergleich zu Dieselmotoren kann die spezifische Leistung um 20-r30% erhöht werden.

Ausführungsbeispiclen werden an Hand der beiliegenden Zeichnungen weiter erläutert Es zeigt

F i g. 1 den Zylinder eines Motors mit Vorkammer, Verbrennungskammer und Ansaugleitung in einer ersten Ausbildungsform,

F i g. 2 das gleiche in einer weiteren Ausbildungsform, F i g. 3 den Schnitt nach HI-III in F i g. 2,

F i g. 4 das gleiche wie in F i g. 1 in einer dritten Ausbildungsform,

F i g. 5 einen Rotationskolben-Verbrennungsmotor mit Vorkammer,

F i g. 6 das gleiche bei der Lage des Rotationskolbsns während der Verbrennung des Brennstoff Luft-Gemisches,

Fig.⁷ zum Vergleich Kennlinien von Einzylinder-Verbrennungsmotoren mit Brennstoffeinspritzung und Vorkammer-Fackelzündung, mit Vergaser-Gemischbil-.dung und Funkenzündung und mit Brennstoffeinspritfzung in das Ansaugrohr und Funkenzündung,

Fig.8 zum Vergleich Belastungskennlinien eines erfindungsgemäßen Motors mit Brennstoffeinspritzung und Vorkammer-Fackelzündung und eines Motors mit Vergaser-Gemischbildung und Funkenzündung.

In jedem der mehreren Zylinder 1 des Verbrennungsmotors gem. F i g. 1 arbeitet ein Kolben 2. Im Zylinderkopf 3 sitzt ^in Einlaßventil 4, das den Zylinderraum mit der Luftansaugleitung 5 verbindet. Im Zylinderkopf 3 ist die Vorkammer 6 und die Verbrennungskammer 7 ausgebildet

In der Vorkammer 6 ist eine mit der Brennstoffpumpe 9 verbundene Einspritzdüse 8 sowie eine Zündkerze 10 angeordnet und sie ist über eine Vorkammeröffnung 11 mit der Verbrennungskammer 7 verbunden. Die Anordnung der Vorkammeröffnung 11 ist so getroffen, daß ihre Richtung mit der Richtung des aus dem Mundstück 12 der Einspritzdüse 8 austretenden Brennstoffstrahls A zusammenfällt. Die Divergenzwinkel des Brennstoffstrahls A und der Abstand des Einspritzdüsenmundstückes 12 von der Vorkammeröffnung 11 sind so gewählt, daß der Brennstoffstrahl ohne Zerspritzen fast gänzlich in die Vorkammeröffnung 11 eintritt und deren Querschnitt ausfüllt. Dabei beträgt das innerhalb der Vorkammer 6 befindliche Volumen v_t des Brennstoffstrahls A 0,05-7-0,25 des Gesamtvolumens V2 der Vorkammer 6.

In der Vorkammer 6 ist in der Nähe des Einspritzdüsenmundstücks 12 ein Kanal 13 ausgeführt, der die Vorkammer 6 zusätzlich mit der Verbrennungskammer 7 verbindet Der Kanal 13 dient zum Durchblasen und Reinigen der Vorkammer 6 von den Abgasen des vorigen Arbeitsspiels und zu deren Füllung mit Luft bzw. mit dem Brennstoff-Luft-Gemisch aus der Verbrennungskammer 7. Dieser Effekt kommt dadurch zustande, daß während der BrennstoffsiRspritzung der Brennstrahl A auf Grund der Ejektorwirkung die Abgase aus der Vorkammer 6 in die Verbrennungskammer 7 mitreißt und ein Druckgefälle zwischen Vorkammer 6 und Verbrennungskammer 7 entsteht, welches bewirkt, daß Luft bzw. Brennstoff-Luft-Gemisch aus der Verbrennungskammer 7 in die Vorkammer 6 eingesaugt wird.

Die Querschnittsfläche des Kanals 13 entspricht annähernd der Fläche des minimalen Querschnitts der Vorkammeröffnung 11, weil dabei eine maximale Reinigung der Vorkammer 6 von den zurückgebliebe-

nen Abgasen erzielt wird.

Der Austrittsquerschnitt der Vorkammeröffnung 11 liegt in einer Ebene parallel zum Kolbenboden, so daß dieser bei der Stellung des Kolbens im oberen Totpunkt diesen Austrittsquerschnitt überdeckt Dadurch wird eine hohe Ausströmenergie der Vorkammerfackel e-zielt

Der Rauminhalt der Vorkammer 6 liegt im Bereich von 2-f-10% des Gesamtinhalts des Verbrennungsraumes d.h. der Summe des Rauminhalts von Verbrennungskammer 7 und Vorkammer 6. Die Summe der Durchgangsquerschnitte der Vorkammeröffnung 11 und des Kanals 13 liegt bei 0,03 bis 0,1 cm² je Kubikzentimeter Rauminhalt der Vorkammer 6. Diese Werte sind auch für die weiteren, nachstehend j betrachteten Ausführungsvarianten zu empfehlen.

In der Ausbildungsform des Verbrennungsmotors gem. F i g. 2,3 ist der Kanal 15, welcher die Vorkammer 14 mit der Verbrennungskammer 16 zusätzlich verbindet, so im Zylinderkopf angeordnet, daß sein in die Verbrennungskammer 16 mündendes Ende in einer Ebene liegt, die parallel zum Kolbenboden verläuft Die Einspritzdüse 8 mit ihrem Mundstück 12 ist wieder koaxial zur Vorkammeröffnung 17 angeordnet, so daß der Brennstoffstrahl unter Ausfüllung des Querschnitts der Vorkammeröffnung direkt in die Verbrennungskammer 16 parallel zum Kolbenboden gerichtet ist Ein derart gerichteter Brennstoffstrahl ermöglicht eine schichtweise Verteilung des Brennstoff-Luft-Gemisches in der Verbrennungskammer längs der Richtung des Brennstoffstrahls.

Wie in F i g. 3 ersichtlich, besteht die Vorkammeröffnung 17 aus zwei unter einem bestimmten Winkel zueinander angeordneten Teilöffnungen 2 und b, die durch einen keilförmigen Strömungsteiler getrennt sind, welcher den Brennstoffstrahl A in zwei Teilstrahlen A\ und Ai aufteilt, wodurch sich die Luftladung in der Verbrennungskammer der Brennstoffverbrennung besser nutzen läßt.

Der Abstand / zwischen dem Eintrittsquerschnitt der Vorkammeröffnung 17 und dem Einspritzdüsenmundstück 12 sowie der Durchmesser d des minimalen Querschnitts der Vorkammeröffnung 17 werden analog dem oöenbeschriebenen Beispiel gewählt

in der Ausbildungsform gem. Fig.4 hai dsr Verbrennungsmotor einen Zylinder 1 mit einem Kolben 18, in dem eine kugelförmige Verbrennungskammer 19 ausgebildet ist Im Zylinderkopf 20 ist das Einlaßventil 21 und die Vorkammer 22 untergebracht. Die Einspritzdüse 8 mit ihrem Mundstück 12 ist koaxial zur Vorkammeröffnung 23 und so angeordnet daß der Brennstoffstrahl A tangential zur sphärischen Oberfläche der Verbrennungskammer 19 gerichtet ist. Der Kanal 24, welcher die Vorkammer 22 mit der Verbrennungskammer 19 zusätzlich verbindet, liegt in der Nähe des Einspritzdüsenmundstücks 12 und auch tangential zur Richtung des in der Verbrennungskammer 19 erzeugten, durch die Pfeile B angedeuteten Luftwirbels.

Der Rotationskolben-Verbrennungsmotor mit Brennstoffeinspritzung und Vorkammer-Fackelzündung gem. Fig.5, 6 hat ein Gehäuse 25 mit in ihm umlaufendem Rotationskolben 26. Im Gehäuse 25 befindet sich die Vorkammer 27, welcher mit der Verbrennungskammer 28 durch die Vorkammeröffnung und zusätzlich den Kanal 30 verbunden ist Die Vorkammeröffnung 29 und die Einspritzdüse 8 mit ihrem Mundstück 12 sind koaxial zueinander angeordnet und der Kanal 30 liegt in der Nähe des Mundstücks 12.

Auch hier sind der Abstand des Mundstücks 12 vom Austrittsquerschnitt der Vorkammeröffnung 29 und der Durchmesser des minimalen Querschnitts der Vorkammeröffnung 29 wie auch beim ersten Ausführungsbeispiel eines Kolbenverbrennungsmotors gewählt

Am Gehäuse 25 ist eine Einlaßleitung 31 für die Luftzufuhr in den Motor und eine Auspuffleitung 32 zum Auslassen der Abgase vorgesehen.

Der Betrieb des in F i g. 1 gezeigten Verbrennungsmotors verläuft folgenderweise:

Beim in F i g. 1 gezeigten Ansaugtakt wird das Arbeitsmittel (Luft bzw. das Brennstoff-Gas-Gemisch) durch das sich öffnende Einlaßventil 4 in den Zylinderraum 1 angesaugt und der Brennstoff durch die Pumpe 9 der Einspritzdüse 8 zugeführt Der aus dem Mundstück 12 austretende Brennstoffstrahl durchquert die Vorkammer 6 und tritt durch die Vorkammeröffnung 11 in den Zylinderraum 1, wobei die in der Vorkammer 6 vom vorigen Arbeitsspiel zurückgebliebenen Abgase mitgerissen werden und durch den Kanal 13 frisches Arbeitsmittel aus Verbrennungskammer 7 angesaugt wird. Auf diese Weise kommt eine Reinigung der Vorkammer 6 von den Abgasen zustande.

Gegen Ende des Einspritzvorgangs bleibt der zuletzt eingespritzte Brennstoff infolge seiner geringen kinetischen Energie in der Vorkammer 6 zurück. Dieser Brennstoff vermischt sich mit der in die Vorkammer 6 angesaugten Luft bzw. dem Brennstoff-Luft-Gemisch, das beim Verdichtungstakt aus der Verbrennungskammer 7 in die Vorkammer 6 verdrängt wird, und bildet ein fettes Vorkammergemisch mit einer Luftüberschußzahl «=0,5-5-0,9, die praktisch unabhängig vom Betriebszustand des Motors ist

Am Ende des Verdichtungstaktes zündet die Zündkerze 10 das fette Gemisch in der Vorkammer 6. Bei dessen Verbrennung entstehen chemisch aktive Produkte der unvollkommenen Verbrennung und der Druck in der Vorkammer 6 steigt an, wobei zwischen der Vorkammer 6 und der Verbrennungskammer 7 ein entsprechendes Druckgefälie entsteht Da in diesem Zeitpunkt der sich im oberen Totpunkt befindende Kolben 2 mit seinem Boden den Austrittsquerschnitt der Vorkanjineröffnung 1! überdeckt, schlagt die chemisch aktive Vorkammerfackel der Produkte der unvollkom- f menden Verbrennung des fetten Vorkammergemisches unter einem geringen Druckgefälle hauptsächlich durch den Kanal 13 in die Verbrennungskammer 7, entflammt das Brennstoff-Gas-Gemisch in dieser und beschleunigt dabei dessen Verbrennung. Die Zusammensetzung des Brennstoff-Luft-Gemisches in der Verbrennungskammer 7 kann je nach dem Betriebszustand des Motors vom Höchstleistungsgemisch mit «=0,9-=-1,0 bis zum sehr mageren Gemisch mit «>2 geändert werden. Auf diese Art wird im wesentlichen die Leistungsregelung des Motors im Gesamtbereich der Lastbetriebszustände im wesentlichen durch entsprechende Änderung der Gemischzusammensetzung gewährleistet, was durch Änderung der jeweiligen Menge des einzuspritzenden Brennstoffs erreicht wird, während die in den Zylinder 1 gelangende Luftmenge bei gegebener Drehzahl des Motors fast unverändert bleibt

Eine solche Regelung ist aber nur im Lastbereich von 100 bis etwa 50% der maximalen Motorleistung effektiv und eine weitere Leistungsdrosselung bis zum Leerlauf geschieht durch Änderung sowohl der Menge als; auch ₍ der Zusammensetzung des Brennstoff-Luft-Gemisches, ||

d.h. durch eine Verringerung der Menge des eingespritzten Brennstoffs bei gleichzeitiger Drosselung der Einlaßluft.

Zur Verbesserung des Motorbetriebs durch eine vollkommenere Gemischbildung in der Verbrennungskammer 7 kann ein Teil des Brennstoffs mittels einer Zusatzeinspritzdüse 33 in die Ansaugleitung 5 eingespritzt werden. Die Zusatzeinspritzdüse 33 wird ebenfalls von der Brennstoffpumpe 9 gespeist.

Der Betrieb des in F ί g. 2,3 gezeigten Verbrennungsmotors verläuft nach dem gleichen Prinzip, wobei jedoch beim Verbrennen des fetten Brennstoff-Luft-Gemisches in der Vorkammer 14 der sich im oberen Totpunkt befindende Kolben 2 mit seinem Boden das in die Verbrennungskammer 16 mündende Ende des Kanals 15 überdeckt. Darum strömt die chemisch aktive iVorkammerfackel hauptsächlich durch die Teilöffnun-'gen a und b der Vorkammeröffnung 17 in die Verbrennungskammer 16, wo sie das längs der Vorkammerfackel schichtweise verteilte Brennstoff-Luft-Gemisch entflammt Auf diese Weise erfolgt ein schichtweises Verbrennen des Brennstoff-Luft-Gemisches in der Verbrennungskammer 16, bei welcher zuerst das fette Gemisch verbrennt, v/obei es wegen des Sauerstoffunterschusses nicht zur Oxydation des Stickstoffes kommt, wonach das am Rande der Fackel !befindliche magere Gemisch verbrennt, wobei es wegen der tieferen Temperaturen nicht zur Bildung toxischer Stickstoffoxide (NO) kommt.

Außerdem verursacht ein derartiges schichtweises Brennen eine beträchtliche Verringerung der in den Auspuffgasen enthaltenen giftigen Bestandteile wie Kohlenmonoxid (CO) und nichtverbrannte Kohlenwasserstoffe (CH). Außer einem guten Wirkungsgrad des Motors wird also auch eine schroffe Verminderung der Toxizität seiner Auspuffgase erzielt

Der Verbrennungsmotor nach dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 4 arbeitet folgenderweise:

Die Brennstoffeinspritzung durch die Einspritzdüse 8 geschieht während des Verdichtungstakts, dabei bewirkt die kugelförmige Verbrennungskammer 19 eine gerichtete Bewegung des Luftwirbeis B und die tangential Anordnung des Kanals 24 zur Bewegungsrichtung des Luftwirbels B unterstützt den Saugeffekt

λrrui j u: u ν:

λ D

ura vt

gegendruck, wodurch eine normale Reinigung der Vorkammer von den Abgasen gewährleistet wird.

Die Hauptmenge des eingespritzten Brennstoffs gelangt in die Verbrennungskammer 19. Die tangentiale Anordnung der Vorkammeröffnung 23 zur Wandfläche der Verbrennungskammer 19 führt zu einem Zerfließen des Brennstoffs an der Oberfläche dieser Wandung in Form eines Films, welcher allmählich verdampft Der in der Vorkammer 22 zurückgebliebene Brennstoff vermischt sich mit der durch den Kanal 24 ankommenden heißen Luft

Der Rotationskolben-Verbrennungsmotor mit Brennstoffeinspritzung und Vorkammer-Fackelzündung gemäß F i g. 5 und 6 arbeitet folgenderweise:

Der Brennstoff wird während der Kompression der Luft bzw. des Brennstoff-Luft-Gemisches von der Einspritzdüse 8 durch die Vorkammer 27 und die Vorkammeröffnung 29 in die Verbrennungskammer 28 eingespritzt Dabei bewirkt die durch den Rotationskolben 26 erzeugte gerichtete Bewegung der Luft bzw. des Gemisches eine Erhöhung des Saugeffekts des die Vorkommenöffnpng durchquerenden Brennstoffstrahls . und die Reinigung der Vorkammer 27 von den Abgasen wird entsprechend besser.

Um die Gemischbildung und Schichtung des Gemisches in der Verbrennungsk?- mer 28 zn verbessern, ist es zweckmäßig, einen Teil di Brennstoffs mittels einer Zusatzdüse 33 in die Druckkammer 34 einzuspritzen. Dabei wird auch das Entweichen frischen Gemisches verhindert, das bei üblichen Rotationskolben-Verbrennungsmotoren mit Vergaser-Gemischbildung beim Übergang vom Ausstoß- zum Einlaßtakt stattfindet.

ίο Nachdem die Zündkerze 10 das Vorkammergemisch gezündet hat, schlagen die chemisch aktiven Vor-,.kammerfackeln aus der Vorkammeröffnung 29 und dem Kanal 30 heraus, wodurch die Zündung des Gemisches im rechten und linken Teil der Verbrennungskammer 28 (vergl. Fig.6) stattfindet. Auf diese Weise wird eine höhere Wirtschaftlichkeit des Motors und eine Herabsetzung der Toxizität der Abgase erreicht.

Zur Prüfung der Wirkungen der vorliegend vorgeschlagenen Ausbildung wurde ein Einzylinder-Verbrennungsmoior mit einem Zylinderdurchmesser £>=92 mm und einem Kolbenhub S= 92 mm gebaut, weicher die Möglichkeit bot, außer auf die vorgeschlagene Weise auch mit Vergaser-Gemischbildung und Funkenzündung sowie mit Brennstoffeinspritzung in Ansaugleitung und mit Funkenzündung betrieben zu werden.

Fig.7 zeigt die verschiedenen Kennlinien dieses Einzylinder-Verbrennungsmotors über der Zusammensetzung des Brennstoff-Luft-Gemisches beim Betrieb mit Vergaser-Gemischbildung und Funkenzündung (Kennlinien 1), mit Brennstoffeinspritzung in die Ansaugleitung und Funkenzündung (Kennlinien 2) und mit dem vorgeschlagenen System der Brennstoffeinspritzung und Vorkammer-Fackelzündung (Kennlinien 3). Die Kennlinien wurden beim Betrieb des Motors mit Benzin einer Oktanzahl von 76 und einem Kompressionsverhältnis von λ=7,5 aufgenommen. Die Verbrennungskammer und die Vorkammer waren gemäß der zweiten Ausbildungsform gestaltet (siehe F i g. 2 und 3). Mit den Kurven g-, ist der jeweilige spezifische Kraftstoffverbrauch im g/PSh und mit P, der mittlere indizierte Druck angegeben, ferner sind noch die Schadstoffanteiie in den Auspuffgasen angegeben.

Aus dem Verlauf der ^/-Kurven ist zu sehen, daß ein wirtschaftlicher Betrieb des Motors bei der vorliegenden Vorkammer- Fackelzündung in einem breiten Bereich von λ = 1,0 bis 1,4-=-1,5 erreicht wird, während dieser Bereich im Falle der Vergaser-Gemischbildung mit Funkenzündung nur in den Grenzen von α-1,0 bis 1,2 und beim Einspritzen des Brennstoffs in die Ansaugleitung und Funkenzündung nur in den Grenzen OC = 0,9 -j-1,1 liegt Die Grenze bis zu der das Gemisch bei noch stabilem Betrieb des Motors verarmt werden kann, liegt in beiden Fällen der Gemischbildung (im Vergaser und beim Einspritzen des Brennstoffs in Ansaugleitung schon bei etwa «=1,2-τ· 1,3, während man bei der vorgeschlagenen Vorkammer-Fackelzündung die Zusammensetzung des Gemisches bis «=2,0-;-2,1 verarmen kann, was dem Betrieb des Motors im Leerlauf bei gegebenem Geschwindigkeitsbetrieb (/3=2000 U/min) entspricht Der minimale spezifische Brennstoffverbrauch bei vollständig geöffneter Drosselklappe erreicht bei der Vorkammer-Fackelzündung #·=160 g/ PSh, während bei der Vergaser-Gemischbildung und der Einspritzung des Brennstoffs in die Ansaugleitung nur £>·= 175 g/PSh erreicht werden.

Da der Füllungsgrad des Zylinders mit Luft in allen drei Falten konstant gehalten wurde, ergaben sich fast gleiche Werte für den Maximalwert des mittleren

_: 230 241/146

indizierten Drucks Pp

Der Gehalt an Kohlenmonoxyd (CO) in den Abgasen beim Höchstleistungsgemisch «=0,80-r 0,85 war in beiden Fällen der Funkenzündung recht hoch. Dank der effektiven Zündung des geschichteten Arbeitsgemisches durch die Vorkammerfackel blieb der Gehalt an CO bei der Vorkammer-Fackeizündung im Betrieb der maximalen Leistung dreifach geringer und wurde praktisch bereits bei »=1,05 zu Null, während bei der Funkenzündung die Entwicklung von CO erst bei «= 1,1-r 1,5 aufhört.

Aus F i g. 7 ist weiterhin ersichtlich, daß die maximale «Entwicklung der besonders giftigen und schädlichen Stickstoffoxide (N₂Os) bei der Brennstoffeinspritzung , mit Vorkammer-Fackeizündung nicht in den häufig ^benutzten Teillastenbereichen, sondern bei der Maximalleistung (bei«=0,9) festgestellt wird. Dabei ist selbst hier der Maximalwert der Konzentration der Stickstoffoxide mehr als zv/eimal geringer als deren Konzentration bei der Vergaser-Gemischbildung mit Funkenzündung und bei der Brennstoffeinspritzung in Ansaugleitung mit Funkenzündung. Mit der Verarmung des Brennstoffgemisches sinkt der Gehalt an N₂Os beim vorliegenden Motor scharf ab und kann bei den wirtschaftlichen Betriebszuständen «=1,2 -*· 1,6) praktisch auf Null abfallen.

Diese besonders wertvolle Verringerung des N₂Os-Auswurfs hängt damit zusammen, daß zuerst das längs der Vorkammerfackel liegende, relativ fette Gemisch verbrennt, wo die zur Bildung von N₂Os erforderliche Sauerstoffkonzentration zu gering ist. Das nachfolgende Verbrennen der im übrigen Rauminhalt der Verbrennungskammer gebildeten Produkte, wo sich je nach dem Betriebszustand entweder reine Luft oder ein sehr mageres Gemisch befindet, führt auch nicht zu Temperaturverhältnissen, bei denen der Stickstoff oxydiert.

Auf Grund der vorstehend betrachteten Prüfergebnisse mit dem genannten Einzylindermotor wurden auf der Basis eines serienmäßigen Vierzylinder-Vergasermotors Versuchsmotore mit Brennstoffeinspritzung und Vorkammer-Fackeizündung entworfen und gebaut Die mit diesen Motoren gewonnenen Prüfergebnisse sind in Fig.8 gezeigt. Dabei waren die Zylinderköpfe gem. F: g. 1 gestaltet. Die Ergebnisse sind a!s Kennlinien ! wiedergegeben, während zum Vergleich die Kennlinien 2 einen Verbrennungsmotor mit Vergaser-Gemischbildung und Funkenzündung betreffen.

Für die Brennstoffeinspritzung mit Vorkammer-Fakkelzündung sind die Schaubilder des effektiven spezifischen Brennstoffverbrauchs (g_e) und der Luftüberschußzahl («) bei der Regelung der effektiven Leistung (N_e) auf zwei Arten dargestellt, nämlich bei geänderter Zusammensetzung (Kennlinien IA) und geänderter Menge (Kennlinien 1 B) des Brennstoff-Luft-Gemisches in der Verbrennungskammer.

ίο Es ist ersichtlich, daß die Brennstoffeinspritzung mit Fackelzündung die Möglichkeit bietet, sämtliche Lastzustände durch entsprechende Änderung bloß der Zusammensetzung des Brennstoff-Luft-Gemisches, d. h. lediglich durch eine Mengenänderung des eingespritzten Brennstoffs zu regeln, während die zugeführte Luftmenge bei gegebener Drehzahl fast unveränderlich bleibt. Dabei wird nicht nur das Regelsystem des Motors wesentlich vereinfacht, sondern es verschwindet in den üblichen Betriebszuständen praktisch der Gehalt an Kohlenmonoxid (CO) in den Abgasen und die Entwicklung von Stickstoffoxyden (N₂Os) ist äußerst gering. Im Gegensatz zu den Verbrennungsmotoren mit Vergaser-Gemischbildung tritt die maximale Entwicklung von N₂O5 nur bei Höchstleistung auf und auch nur hier kommt es zur Entwicklung von CO. Wenn also die Anreicherung des Arbeitsgemisches beschränkt wird und mit Luftüberschußzahlen von nicht weniger als .«=l,0-f· 1,1 gefahren wird, läßt sich die Toxizität der Abgase schroff vermindern. Die Leistungsverluste machen hierbei höchstens 6% aus, was durch Erhöhung des Zylinderfüllungsgrads mit Luft reichlich kompensiert werden kann.

Zum Vergleich der spezifischen Brennstoffverbräuche ge und insbesondere der Maximalwerte G_cmm ergibt sich für die Fackelzündung eine um 10,5% bessere Sparsamkeit. Eine hohe Wirtschaftlichkeit bei der Leistungsregelung durch entsprechendes Ändern der Zusammensetzung des Gemisches (Kennlinien IA) liegt im Leistungsbereich von 100 bis 57%. Wie aus F i g. 8 zu ersehen ist, muß man zur Aufrechterhaltung der hohen Wirtschaftlichkeit des Motors im gesamten Leistungibereich auf ein Drosseln der EiniaSluft (Kennlinien IB) übergehen. Dabei sinkt die Luftüberschußzahl nur in der Nähe des Leerlaufs auf «=1,05, v/eshalb sich der Auswurf von CO und NoO« vom ersten Falle der Leistungsregelung nicht unterscheidet

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Pater tansprüche:

1. Verbrennungsmotor mit Brennstoffeinspritzung und Vorkammer-Fackelzündung und einer Zündkerze in der Vorkammer, bei dem mindestens eine in die Verbrennungskammer mündende Vorkammeröffnung und mindestens eine Einspritzdüse in der Vorkammer einander gegenüber angeordnet sind und der Brennstoffstrahl während des Einspritzen in der Vorkammer ein im Verhältnis zu deren Volumen relativ kleines Volu.nen einnimmt sowie im wesentlichen in die Vorkammeröffnung eintritt und dabei deren Querschnitt ausfüllt, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vorkammer (6) in der Nähe der Einspritzdüse (12) mindestens ein Kanal (13) ausgeführt ist, der die Verbrennungskammer (7) zusätzlich mit der Vorkammer (6) verbindet, und die Einspritzdüse (12) in einem die erwähnte Ausfällung des Vorkammeröffnungsquerschnitts durch den ?, Brennstoffstrahl (A) gewährleistenden Abstand (I) '■ψ· von der Vorkammeröffnung (11) angeordnet ist, ''"' wobei das durch den Brennstoffstrahl in der Vorkammer (6) eingenommene Volumen 0,05+0,25 des Volumens der Vorkammer (6) beträgt

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des Kanals (13) etwa der Fläche des Austrittsquerschnitts der Vorkammeröffnung (11) entspricht

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 mit einem hin und her gehenden Kolben, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittsquerschnitt der Vorkammeröffnung (11) so angeordnet ist, daß er durch den Boden des Kolbens (2) bei dessen Stellung im oberen Totpunkt überdeckt wird.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 mit einem hin und her gehenden Kolben, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (15) so angeordnet ist, daß sein in die Verbrennungskammer (16) mündendes Ende durch den Boden des Kolbens (2) bei dessen Stellung im oberen Totpunkt überdeckt wird.