DE2821155A1

DE2821155A1 - Fremdgezuendete, gemischverdichtende brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2821155A1
Application number: DE19782821155
Authority: DE
Inventors: Gerd Dipl Ing Decker; Dieter Steinke
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1978-05-13
Filing date: 1978-05-13
Publication date: 1979-12-13

Description

VOLKSWAGENWERK

AKTIENGESELLSCHAFT

5180 Wolfsburg
- 3 -

Unsere Zeichen: K 2538
17O2pt-we-jä

Fremdgezündete,gemischverdichtende Brennkraftmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine fremdgezündete, gemischverdichtende Brennkraftmaschine, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einer jedem Zylinder zugeordneten, zwischen dem Kolben und dem Zylinderkopf gebildeten Hauptbrennkammer und mit mehr als einer jeweils über einen Verbindungskanal mit der Hauptbrennkammer verbundenen Vorkammer.

Theoretische Untersuchungen zeigen, daß der Wirkungsgrad des Arbeitsprozesses in einer fremdgezündeten, gemischverdichtenden Brennkraftmaschine (Otto-Motor) um so besser wird, je schneller die Verbrennung abläuft. Bei unendlich schneller Verbrennung (Gleichraumprozeß) wird der Wirkungsgrad des vollkommenen Otto-Motors erreicht. Aus Untersuchungen an Otto-Motoren mit geteiltem Brennraum, das heißt bei denen der Brennraum in einen Hauptbrennraum und wenigstens eine Vorkammer unterteilt ist, geht hervor, daß in der ersten Phase der Verbrennung infolge der

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Vorsitzender Vorstand: Toni Schmucker, Vorsitzender · Horst Backsmann · Prof. Dr. techn. Ernst Fiele · Dr. jur. Peter Frerk

dos Aufsichtsröts: Günter Hartwich · Horst Münzner · Dr. rer. pol. Werner P. Schmidt Gottlieb M. Strobl · Prof. Dr. rer. pol. Friedrldi Thomee

■·»; £:rr.t>3-.ii Sitz dc-r Gesellschaft: WoUst-u.-g Amtsgericht Wolfsburg HRB

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Ladungsbewegung in der Vorkammer und der aus der Vorkammer austretenden Flammenfackel eine sehr hohe Verbrennungsgeschwindigkeit auftritt. Die zweite Phase der Verbrennung nach dem Ausbrennen, der Vorkammer verläuft dagegen wesentlich schleppender. Dadurch ergeben sich aber schlechte Wirkungsgrade und entsprechend schlechte Kraftstoffverbrauchswerte. Maßnahmen zur Verbesserung der Verbrennung müssen daher die Verhältnisse im Hauptbrennraum»insbesondere in der zueiten Phase des Verbrennungsprozesses,beeinflussen.

Es ist zwar schon versucht wurden, die Verbrennungsgeschwindigkeit im Hauptbrennraum durch erhöhte Ladungsbewegung, zum Beispiel durch Drall- oder Quetschströmung oder dergleichen zu erhöhen. Diese Ladungsbewegung beeinflußt jedoch im wesentlichen nur die erste Phase des Verbrennungsprozesses,in der beim Vorkammermotor ohnehin bereits eine schnelle Energieumsetzung stattfindet, während der Einfluß der Ladungsbewegung auf die zweite Phase der Verbrennung nur sehr schwach ist.

Aus der DE-OS 2 406 805 ist weiterhin eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Bauart bekannt, die zwä. symmetrisch zur Längsachse des Zylinders angeordnete Vorkammern aufweist, von denen jede eine Zündkerze enthält.Die Zündung der Vorkammerladungen soll dabei gleichzeitig erfolgen, wobei die aus den Verbrennungskanälen der beiden Vorkammern austretenden Flammenstrahlen in entgegengesetzter Richtung in die Hauptbrennkammer übertreten.

Auch hier wird keine wesentliche Verbesserung der zweiten Phase des Verbrennungsprozesses erreicht, sondern lediglich die erste Phase auf zwei Vorkammern verteilt. Nach dem etwa gleichzeitig erfolgenden Ausbrennen der Vorkammern liegen dann im wesentlichen die gleichen Verhältnisse wie bei einer Brennkraftmaschine mit nur einer Vorkammer vor, das heißt die Verbrennung im Hauptbrennraum findet dann nur noch sehr schleppend statt.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art zu

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schaffen, bei der insbesondere auf die zweite Phase der Verbrennung nach dem Ausbrennen der zuerst gezündeten Vorkammer im Sinne einer Beschleunigung des VerbrennungsVorganges eingewirkt und dadurch der Wirkungsgrad und der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine verbessert werden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung dadurch, daß die Vorkammern in der Weise ausgebildet sind, daß die in diesen enthaltende Ladung nacheinander gezündet wird. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß nur in einer ersten Vorkammer die Zündelektroden einer Zündkerze angeordnet sind. Die anderen Vorkammern

.dann
sollen/abweichend zu dem Vorschlag der oben genannten Offenlegungsschrift keine Zündkerzen enthalten. Nach der Zündung des Gemisches in dieser ersten Vorkammer erreicht die in den Hauptbrennraum austretende Flammenfront mit einer bestimmten zeitlichen Verzögerung, die durch die Lage der Vorkammern zueinander bestimmt wird, die anderen Vorkammern und zündet das in diesen enthaltene Gemisch. Durch die Verbrennung in diesen weiteren Vorkammern entstehen dann wieder in den Hauptbrennraum austretende Flammenfackeln deren Richtung zweckmäßigerweise so sein soll, daß die von der aus der ersten Vorkammer austretenden Flammenfackel nicht erreichten Brennraumpartien erfaßt werden. In jedem Fall wird durch diese nacheinander auftretenden Flammenfackeln eine schnellere und bessere Durchbrennung der gesamten Zylinderladung erreicht, wobei insbesondere die zweite Phase des Verbrennungsvorganges positiv beeinflußt wird. Erfindungsgemäß sind also neben der ersten Vorkammer eine weitere, gegebenenfalls aber auch noch mehrere weitere Vorkammern vorgesehen, die im zeitlichen Abstand nach der ersten Vorkammer gezündet werden, so daß der Hauptbrennraum nacheinanderfolgend von mehreren Flammenfackeln belegt wird.

Zur besseren zeitlichen Steuerung der Zündungsvorgänge in den weiteren Vorkammern können Verbindungskanäle zur direkten Verbindung der ersten mit den weiteren Vorkammern vorgesehen sein. Auch kann die erste Vorkammer mehrere Verbindungskanäle zur Verbindung mit der Hauptbrennkammer aufweisen, von denen wenigstens ein Teil auf die Mündungsöffnungen der Verbindungskanäle der weiteren Vorkammern

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ausgerichtet sind. Darüberhinaus ist es auch möglich, im Bereich der Mündungen der VerbindungsKanäle der weiteren Vorkammern die Zündelektroden weiterer Zündkerzen anzuordnen, die dann ebenfalls eine gegenüber der Zündung der ersten Vorkammer verzögerte Zündung der weiteren Vorkammern bewirken würden.

Eine weitere Möglichkeit, die ^Ladung der Vorkammern nacheinander zu zünden, besteht darin, in allen Vorkammern Zündkerzen vorzusehen und diese zur nacheinanderfolgenden Zündung anzusteuern. Auch dann treten mehrere Flammenfaekeln im zeitlichen Abstand nacheinander zur vollständigeren Verbrennung der Zylinderladung in die Hauptbrennkammer über. "-

Ein weiterer wesentlicher Vorsöhlag der Erfindung geht dahin, das Volumen der ersten Vorkammer größer zu gestalten als das der weiteren Vorkammern. Dabei ergeben sich günstige Ergebnisse, wenn das Volumen der ersten Vorkammer 10 ₇ JO fo des gesamten Kompressionsvolumens und das Volumen der weiteren Vorkammern jeweils 5 £ 15 % des gesamten Kompressionsvolumens, höchstens jedoch 50 °Jo des Volumens der ersten Vorkammer beträgt. Darüberhinaus wird vorgeschlagen, daß das Verhältnis des Volumens der Vorkammern zur Querschnittsfläche der Verbindungskanäle im Bereich zwischen 4 ^ca.^ 25 cm liegt.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, das im folgenden näher beschrieben wird. Die Zeichnung zeigt dabei in teils schematischer Darstellungsweise in

Figur 1 einen Längsschnitt durch den Zylinderkopf einer erfindungsgemäß ausgestatteten Brennkraftmaschine und Figur 2 einen Schnitt gemäß den Schnittlinien H-II nach Figur 1.

In der Zeichnung ist mit 1 ein Zylinder einer mehrzylindrigen, gemischverdichtenden und freiadgezündeten Brennkraftmaschine gezeigt, mit einem in dem Zylinder gleitenden Kolben 2 und einem Zylinderkopf 3. Zwischen dem Zylinderkopf 3 und dem Zylinder 1 wird durch die

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Stirnfläche des Kolbens 2 eine im Volumen veränderliche Hauptbrennkammer 4 eingeschlossen, die in der Figur 1 etwa im oberen Totpunkt des Kolbens gezeigt ist. In den Hauptbrennraum münden durch Ventile 18 gesteuerte Ein- und Auslaßkanäle zur Zu- bzw. Abführung des gasförmigen Arbeitsmittels ein.

Neben der Hauptbrennkammer 4 weist jeder Zylinder der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine noch eine erste Vorkammer 5 und wenigstens eine zweite Vorkammer 8, gegebenenfalls aber auch noch weitere Vorkammern 15 auf, die durch Verbindungskanäle 6, 9» 14 mit der Hauptbrennkammer 4 in Verbindung stehen. Die erste Vorkammer 5 ist dadurch ausgezeichnet, daß in ihr die Zündelektroden einer Zündkerze 7 angeordnet sind, deren Zündfunken die gesamte Zylinderladung zur Zündung bringen sollen. Gegebenenfalls könnte in der ersten und eventuell auch in den weiteren Vorkammern Einspritzdüsen 17 zur Bildung eines angereicherten Gemisches in den Vorkammern vorgesehen sein. Dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, da sich gezeigt hat, daß ein günstiger Betrieb solcher Vorkammermaschinen auch ohne eine durch besondere Maßnahmen herbeigeführte Ladungsschichtung möglich ist.

Der Verbrennungsvorgang in der in der Zeichnung gezeigten erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine geht nun so vor sich, daß zunächst etwa in der Nähe des oberen Totpunktes des Kolbens 2 im Zylinder 1 die Ladung in der ersten Vorkammer 5 durch die Zündkerze 7 gezündet wird. Das in dieser Vorkammer mit hoher Ladungsbewegung strömende Gemisch verbrennt sehr schnell und es tritt eine Flammenfackel durch den Verbindungskanal 6 in die Hauptbrennkammer 4 zur Verbrennung der dort befindlichen restlichen Ladung. Venn die Flammenfront die Mündungen der Verbindungskanäle 9 und 14 der weiteren Vorkammern 8 und 15 erreicht, werden auch die Ladungen der weiteren Vorkammern gezündet,in denen ebenfalls eine relativ hohe Ladungsbewegung stattfindet. Die Zündung dieser Gemischteile in den weiteren Vorkammern findet also mit einer zeitlichen Verzögerung gegenüber der Zündung in der ersten Vorkammer 5 statt, so daß die aus deren Verbindungskanälen 9 beziehungsweise I4 austretenden Flammenfackeln die

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Hauptbrennkammer 4 dann erreichen, wenn die Wirkung der aus der ersten Torkammer 5 ausgetretenen Flammenfackel bereits abgebaut ist und die oben erwähnte zweite Phase des Verbrennungsprozesses beginnt. Durch die neuen Flammenfackeln wird die Verbrennung in dieser zweiten Phase beschleunigt und verbessert, wobei daran gedacht werden kann, mehrere nacheinander folgende Zündungen von weiteren Vorkammern vorzusehen.

Um den zeitlichen Abstand der Entzündungsvorgänge in den weiteren Vorkammern besser steuern zu können, könnte auch daran gedacht werden, die erste Vorkammer 5 unmittelbar durch in der Figur 2 mit unterbrochenen Linien angedeutete Verbindungskanäle 10 beziehungsweise 15 mit den weiteren Vorkammern 8 beziehungsweise 13 zu verbinden, durch die dann direkt die Flammenfackeln zur Entzündung der weiteren Vorkammern aus der ersten Vorkammer austreten könnten. Anstelle dieser Direktverbindungskanäle 10 und 15 könnte die erste Vorkammer 5 auch neben dem ersten Verbindungskanal 6 über weitere Verbindungskanäle 11 und 16 mit der Hauptbrennkammer 4 verbunden sein, wobei die weiteren Verbindungskanäle 11 und 16 auf die Mündungsöffnungen der Verbindungskanäle S beziehungsweise 1if der weiteren Vorkammern 8 und 13 ausgerichtet sein sollten. Dies würde ebenfalls eine gezieltere Aussendung von aus der ersten Vorkammer austretenden Plammenfackeln zur Zündung der weiteren Vorkammern ermöglichen.

In der Zeichnung der Figur 2 ist eine weitere Möglichkeit zur Gewährleistung einer im zeitlichen Abstand zur Zündung der Ladung der ersten Vorkammer erfolgenden Zündung der weiteren Vorkammer angedeutet, und zwar durch eine im Bereich der Mündung des Verbindungskanals 9 der Vorkammer 8 vorgesehenen zweiten Zündkerze Die Zündung dieser zweiten Zündkerze 12 würde selbst wenn sie gleichzeitig mit der Zündung der ersten Zündkerze 7 erfolgen würde, eine gegenüber der Zündung der ersten Vorkammer verzögerte Zündung der zweiten Vorkammer 8 bewirken, da die Zündung dort ja nicht direkt in der Vorkammer erfolgt und die Zündflamme erst durch den Verbindungskanal 9 in die Vorkammer eindringen müßte.

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Es soll auch noch darauf hingewiesen werden, daß es, auch wenn es in der Zeichnung nicht dargestellt ist, durchaus möglich ist, direkt in den weiteren Vorkammern 8 und 13 Zündkerzen vorzusehen, die dann jedoch mit zeitlichem Abstand zur Zündung der ersten Zündkerze 7 zu zünden wären, .um so die von der Erfindung beabsichtigte Erzeugung von im zeitlichen Abstand nacheinander in die Hauptbrennkammer 4 übertretenden Flammenfackeln sicherzustellen.

Das Volumen der ersten Vorkammer 5 sollte grundsätzlich größer als das der weiteren Vorkammern 8 und 13 sein, wobei das Volumen der ersten Vorkammer 5 zweckmäßigerweise im Bereich zwische 10 und 30 fo des gesamten Kompressionsvolumens, das heißt de3 aus der Hauptbrennkammer 4 und allen Vorkammern 5» 8 und zusammengesetzten Verbrennungsvolumens im oberen Totpunkt des Motors, liegen sollte. Das Volumen der weiteren Vorkammern 8 und 13 sollte dann zweckmäßigerweise 5 bis 15 °fo des gesamten Kompressionsvolumens, höchstens jedoch 50 ^c/o des Volumens der ersten Vorkammer betragen. Für das Verhältnis des Vorkammervolumens zur Querschnittsfläche des die jeweilige Vorkammer mit der Hauptbrennkammer 4 verbindenden Verbindungskanals 6, 9 oder ergeben sich im Bereich von 4 - 25 cm günstige Werte.

Es sollte schließlich noch betont werden, daß es günstig sein kann, die Vorkammern durch in den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine eingesetzte, schalenartige Gehäuse bilden zu lassen, die gegenüber den umgebenden Wänden einen isolierenden Spalt einhalten. Diese Gestaltung sichert eine schnelle Aufheizung und die Erhaltung einer relativ hohen Wandtemperatur in der Vorkammer, wodurch die Verbrennungsvoraussetzungen wesentlich verbessert werden.

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AO

e e r s e i f e

Claims

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AKTIENGESELLSCHAFT

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Unsere Zeichen: K 2538
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11. Μ** 1Π7Β

ANSPRÜCHE

Fremdgezündete, gemischverdichtende Brennkraftmaschine, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einer jedem Zylinder zugeordneten, zwischen dein Kolben und dem Zylinderkopf gebildeten Hauptbrennkammer und mit mehr als einer jeweils über einen Verbindungskanal mit der Hauptbrennkammer verbundenen Vorkammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkammern (5, 8, 13) in der Weise ausgebildet sind, daß die in diesen enthaltene Ladung nacheinander gezündet wird.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur in einer ersten Vorkammer (5) die Zündelektroden einer Zündkerze (7) angeordnet sind.
3· Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Verbindungskanäle (10, I5) zur direkten Verbindung der ersten (5) mit den weiteren Vorkammern (8, I3) vorgesehen sind.

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Vorsitzender Vorstand: Toni Schmucker, Vorsitzender - Horst Backsmann · Prof. Dr. techn. Ernst Fiala · Dr. jur. Peter Frerk

des Aufsichtsrats: Günter Hartwich · Horst Münzner · Dr. rer. pol. Werner P. Schmidt Gottlieb M. Strobl · Prof. Dr. rer. pol. Friedrich Thomie

Hans BiTr.bäum Sitz der Gesellschaft: Wolfsbu/g Amtsgericht Wolfsburg HRB

ORIGINAL INSPECTED
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Verbindungskanäle (6, 11, 16) zur Verbindung der ersten Vorkammer (5) mit der Hauptbrennkammer (4) vorgesehen sind, von denen wenigstens ein Teil (11, 16) auf die Mündungsöffnungen der Verbindungskanäle (9> 14) der weiteren Vorkammern (8, 15) ausgerichtet sind.
5· Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Mündungen der Verbindungskanäle (9, I4) der weiteren Vorkammern (8, 13) die Zündelektroden weiterer Zündkerzen (12) angeordnet sind.
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in allen Vorkammern (5, 8, 13) Zündkerzen angeordnet sind und daß die Zündkerzen zur nacheinanderfolgenden Zündung ansteuerbar sind.
7· Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der ersten Vorkammer (5) größer ist als dasjenige der weiteren Vorkammern (8, 13).
8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7i dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der ersten Vorkammer (5) 10 j 30 % des gesamten Kompressionsvolumens beträgt und daß das Volumen der weiteren Vorkammern (8, I3) jeweils 5 f 15 ^c/° des gesamten Kompressionsvolumens, höchstens jedoch 50 ^ des Volumens der ersten Vorkammer beträgt.

9· Brennkraftmaschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Volumens der Vorkammern (5, 8, I3) zur Querechnittsflache der Verbindungskanäle (6, 9, I4) im Bereich zwischen 4 und 25 cm liegt.

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