DE3628034A1 - Verbrennungsmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor mit einem Brennraum, der ein Haupteinlaßventil für ein mageres Luft-Kraftstoff-Gemisch und ein Nebeneinlaßventil für ein fettes Luft-Kraftstoff-Gemisch aufweist, wobei das Neben­ einlaßventil im Bereich der Zündeinrichtung vorgesehen ist.

Ein derartiger Verbrennungsmotor ist bekannt und wird auch als Schichtlademotor bezeichnet. Dabei wird eine verhält­ nismäßig große Menge des mageren, kraftstoffarmen Gemischs durch das Haupteinlaßventil und eine demgegenüber kleine Menge des fetten, kraftstoffreichen Gemischs durch das Nebeneinlaßventil angesaugt, so daß insgesamt ein mageres Gemisch gebildet wird. Das fette Gemisch wird einem Nebenbrennraum zugeführt, in dem die Zündeinrichtung, also die Zündkerze angeordnet ist.

Unter einem fetten Gemisch ist dabei im vorliegenden Zusammenhang ein Gemisch zu verstehen, daß unabhängig vom Betriebszustand des Motors durch die Zündeinrich­ tung im Nebenbrennraum zündbar ist.

Bei veränderlichen Lastbedingungen werden die magere und die fette Gemischmenge z. B. durch die Drosselklappen zweier Vergaser geregelt, die in den beiden Ansaugleitun­ gen vorgesehen sind. Dabei soll sich am Ende des Verdich­ tungshubes ein fettes Gemisch an der Zündkerze, ein mittleres Gemisch an der Austrittsöffnung des Nebenbrenn­ raums und ein mageres Gemisch im Hauptbrennraum bilden. Das fette Gemisch wird im Nebenbrennraum durch die Zündkerze entzündet. Das brennende Gas im Nebenbrennraum soll dann das mittlere Gemisch an der Austrittsöffnung des Nebenbrennraums entzünden und von dort soll sich die Flamme im mageren Gemisch des Hauptbrennraums weiter ausbreiten.

Da das Gemisch insgesamt mager ist, weisen Schichtlademo­ toren einen günstigen Kraftstoffverbrauch bei niedriger Schadstoffemission auf.

Die bekannten Schichtlademotoren weisen jedoch noch erhebliche Probleme auf, was die Gemischbildung und deren Regulierung betrifft. Insbesondere ist eine sichere Entzündung des Gemischs bei veränderlichen Betriebsbedin­ gungen, wie sie beispielsweise für Fahrzeugmotoren erfor­ derlich sind, nicht gewährleistet. Die intensive Turbulenz der Ladung in dem Nebenbrennraum beim Verdichtungshub führt nämlich zu einer starken Beeinflussung der Zünd- und Entflammungsbedingungen. Andererseits ist nach der Zündung des fetten Gemischs eine intensive Turbulenz für eine rasche und vollständige Verbrennung des mageren Gemischs erforderlich. Die Trennung der einzelnen Phasen des Verbrennungsvorgangs ist bei den bekannten Schichtlademo­ toren jedoch nur bedingt möglich, insbesondere in einem großen Drehzahl- und Lastbereich. Auch muß der Nebenbrenn­ raum bei den bekannten Schichtlademotoren auf Kosten der Motorleistung relativ groß ausgebildet sein.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schichtlademotor mit sicherer Zündung eines insgesamt sehr mageren Gemischs unter den unterschiedlichsten Betriebsbedingungen bei hohem Wirkungsgrad bereitzustellen.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein Verdichter vorgesehen ist, der das fette Gemisch unter Druck dem Brennraum zuführt, wobei eine Einrichtung vorgesehen ist, die die Menge des fetten Gemischs in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Motors regelt.

Diese Regelung erfolgt durch den Öffnungszeitpunkt und/ oder die Öffnungsdauer des Nebeneinlaßventils und/oder des Drucks und/oder der Zusammensetzung des fetten Gemischs in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Motors.

Der Öffnungszeitpunkt des Nebeneinlaßventiles kann dabei zwischen dem Beginn des Verdichtungshubes bis kurz vor Ende des Verdichtungshubes liegen. Im allgemeinen ist es vorteilhaft, den Öffnungszeitpunkt gegen das Ende des Verdichtungshubes, also kurz vor die Zündung des fetten Gemischs zu legen. Dadurch wird die Ausbildung einer relativ ungestörten Schichtung ermöglicht, da Turbulenzen, die durch die Verdichtung hervorgerufen werden, nur noch wenig auf die Schichtung einwirken können.

Der möglichst unmittelbar vor der Zündung liegende Öffnungszeitpunkt des Einlaßventiles wird jedoch in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Motors, also insbe­ sondere den Lastbedingungen, der Drehzahl und der Motor­ temperatur, geregelt. D. h. z. B. im Leerlauf, also ohne Last bzw. bei niedriger Drehzahl, liegt der Öffnungszeit­ punkt unmittelbar vor dem Zündungszeitpunkt bzw. gegen Ende des Verdichtungshubes. Der wird jedoch um so weiter vorverlegt und damit die Öffnungszeit des Nebeneinlaßven­ tils um so mehr verlängert, je mehr die Last oder die Drehzahl zunimmt bzw. je niedriger die Motortemperatur ist, also z. B. bei Beschleunigung oder in der Warmlauf­ phase des Motors.

Die Einrichtung zur Regelung von Öffnungszeitpunkt bzw. Öffnungsdauer des Nebeneinlaßventils kann elektrisch, hydraulisch oder mechanisch betätigbar sein. So können Öffnungszeitpunkt und -dauer durch einen Fliegkraftregler geregelt werden.

Das Nebeneinlaßventil ist vorzugsweise als Elektroventil ausgebildet. Damit sind Öffnungszeitpunkt und Öffnungsdau­ er relativ einfach regelbar. Auch ist die Schließkraft eines Elektroventils für das Nebeneinlaßventil ausrei­ chend.

Neben der Regelung von Öffnungszeitpunkt und Öffnungsdauer des Nebeneinlaßventils in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Motors bei konstantem Druck und konstanter Zusammen­ setzung des fetten Gemischs kann erfindungsgemäß der Druck und/oder die Zusammensetzung des dem Nebenbrennraum zugeführten fetten Gemischs in Abhängigkeit vom Betriebs­ zustand des Motors geregelt werden. Dies kann z. B. durch Regelung des Druckverhältnisses des Verdichters, also von dessen Drehzahl, oder, falls ein Vergaser bzw. eine Einspritzdüse im Ansaugkanal zum Nebeneinlaßventil vorge­ sehen ist, durch Regelung der Stellung der Drosselklappe oder der Einspritzdauer der Einspritzeinrichtung erfolgen.

Das magere Gemisch wird vorteilhaft in konstanter Menge über das Haupteinlaßventil zugeführt.

Bei dem erfindungsgemäßen Motor wird einem Einströmen des mageren Gemischs in dem Bereich, dem das fette Gemisch zugeführt wird und in der sich die Zündeinrichtung bzw. die Zündkerze befindet, durch den Gegendruck des fetten Gemischs entgegengetreten. Andererseits führt dieser Druck nach Zündung des fetten Gemisch zu einer schnellen Ausbreitung der Flamme in das und in dem mageren Gemisch.

Auch beim erfindungsgemäßen Motor kann ein Nebenbrennraum vorgesehen sein, in den das fette Gemisch eingelassen wird und in dem sich die Zündkerze befindet. Wenn ein solcher Nebenbrennraum vorhanden ist, kann er jedoch erheblich kleiner ausgebildet werden als bei den herkömmlichen Schichtlademotoren mit einem sogenannten geteilten, also einen Nebenbrennraum aufweisenden Brennraum.

Der Begriff "Verbrennungsmotor" ist hier weit auszulegen Darunter sind alle Motoren zu verstehen, die eine Brennkammer mit einem Einlaß zur intermittierenden Ver­ brennung eines Brennstoff-Luft-Gemischs aufweisen, also z. B. auch bestimmte Turbinen, wie Holzwarth-Turbinen, neben Hubkolbenmotoren, wie Viertakt- und Zweitaktmotoren oder Drehkolbenmotoren, wie dem Wankelmotor.

Die Zuführung des fetten Gemischs kann durch die Zündkerze erfolgen. Dazu ist die Zündkerze mit einem Kanal versehen, durch den das Fettgemisch strömt, wobei das Nebeneinlaß­ ventil stromaufwärts dieses Kanals angeordnet ist. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß herkömmliche Motoren auf den erfindunsgemäßen Motor leicht dadurch umgerüstet werden können, daß die übliche Zündkerze gegen eine solche die Gemischzuführung ermöglichende Zündkerze ausgetauscht wird.

Im übrigen kann bei solchen Betriebszuständen, bei denen ein sehr hohes Unterdruckverhältnis vorliegt, wie z. B. bei Kolbenmaschinen im Leerlauf, auch eine Zuführung ohne Druck zu einem hinreichend zündfähigen fetten Gemisch führen.

Der erfindungsgemäße Motor kann mit Kraftstoff ebenso betrieben werden wie mit Brenngas. Auch sind Kombinationen denkbar. So kann z. B. das Brenngas dem Nebenbrennraum über das Nebeneinlaßventil zugeführt werden, während dem Hauptbrennraum Kraftstoff zugeführt wird. Auch ist es denkbar, dem Hauptbrennraum ein Luft/Schweröl-Gemisch zuzuführen und dem Nebenbrennraum ein Kraft­ stoff/Luft-Gemisch oder ein Brenngas.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen jeweils schema­ tisch:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Teil des Zylinderkop­ fes eines Verbrennungsmotors nach einer Ausfüh­ rungsform der Erfindung; und

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Kolbenpumpe als Verdichter für das fette Gemisch.

Gemäß Fig. 1 weist der auf einem Zylinder 1 mit Kolben 2 angeordnete Zylinderkopf 3 auf der einen Seite ein Haupteinlaßventil 4 und auf der anderen Seite ein Auslaßventil 5 auf. Weiterhin befinden sich im Zylinder­ kopf 3 ein durch das Haupteinlaßventil 4 verschließbarer Ansaugkanal 6 für ein mageres Gemisch sowie ein durch das Auslaßventil 5 verschließbarer Abgaskanal 7.

Zwischen dem Haupteinlaßventil 4 und dem Auslaßventil 5, also im mittleren Bereich ist im Zylinderkopf 3 ein Nebeneinlaßventil 9 zum Verschließen eines Kanals 8 zur Zufuhr eines fetten Gemischs vorgesehen. Der Kanal 8 mündet dabei in einen Nebenbrennraum 10, der über eine Öffnung 11 mit dem Hauptbrennraum 12 kommu­ niziert. In dem Nebenbrennraum 10 ist eine Zündkerze 13 vorgesehen.

An den Kanal 8 ist dabei ein nicht dargestellter Verdich­ ter, also z. B. eine Pumpe angeschlossen, so daß das fette Gemisch dem Nebenbrennraum 10 über das Nebeneinlaß­ ventil 9 unter Druck zugeführt wird.

Die Betätigung der Ventile 4, 5 und 9 kann dabei durch eine nicht dargestellte Nockenwelle erfolgen. D. h. die Nockenwelle kann für jeden Zylinder 1 des Motors drei Nocken aufweisen, die über jeweils einen Kipphebel die Ventile 4, 5 und 9 betätigen.

Gemäß Fig. 2 kann der Verdichter durch eine Kolbenpumpe mit einem Kolben 14 in einem Gehäuse 15 gebildet sein.

Der Kolben 14 kann dabei durch die Nockenwelle z. B. über einen Kipphebel betätigt werden. In das Gehäuse 15 mündet ein Kanal 8′, über den das zu komprimierende fette Gemisch eingesaugt wird. Das Druckventil der Kolbenpumpe wird durch das Nebeneinlaßventil 9 gebildet, welches in einer an dem Gehäuse 15 befestigten Führung 16 geführt ist, an der sich auch die Ventilfeder 17 abstützt.

Nach Fig. 2 kann die Menge des fetten Gemischs durch die Hubhöhe des Kolbens 14 oder durch Ausbildung einer Steuerkante am Kolben 14 wie von Dieseleinspritzpumpen her bekannt, geregelt werden, desgleichen durch Drosse­ lung der Leitung 8′.

Claims (7)

1. Verbrennungsmotor mit einem Brennraum, der wenigstens ein Haupteinlaßventil für ein mageres und wenigstens ein Nebeneinlaßventil für ein fettes Luft-Kraftstoff- Gemisch aufweist, wobei das Nebeneinlaßventil im Bereich der Zündeinrichtung vorgesehen ist, gekenn­ zeichnet durch einen Verdichter zur Zufuhr des fetten Gemischs in den Brennraum unter Druck und eine Einrichtung zur Regelung der Menge des fetten Gemischs in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Motors.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Verdichter das fette Gemisch mit konstan­ tem Druck und konstanter Zusammensetzung dem Brennraum zuführt und die Menge des fetten Gemischs durch die Öffnungszeit und die Öffnungsdauer des Nebenein­ laßventils (9) geregelt wird.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Nebeneinlaßventil (9) derart gesteuert wird, daß das fette Gemisch kurz vor dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubes dem Brenn­ raum zugeführt wird.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zusammensetzung und der Druck des fetten Gemischs in Abhängigkeit vom Betriebszustand gesteuert wird.

5. Verbrennungsmotor nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das magere Gemisch in konstanter Menge zugeführt wird.

6. Verbrennungsmotor nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter als Kolbenpumpe ausgebildet ist, welche von der Nockenwelle angetrieben wird und das Einlaßventil (9) das Druckven­ til der Kolbenpumpe bildet.

7. Verbrennungsmotor nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zündkerze (10) als Zündeinrichtung vorgesehen ist, welche einen Kanal aufweist, durch den das fette Gemisch zugeführt wird.