DE69310082T2 - Fremdgezündete Brennkraftmaschine - Google Patents

Fremdgezündete Brennkraftmaschine

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft fremdgezündete Verbrennungsmotoren und beschäftigt sich mit der Verringerung der Emission der Stickoxide (NOx) und Kohlenwasserstoffe (HC) solcher Motoren und mit der Verringerung des Kraftstoffverbrauchs.
  • Ein bekanntes Verfahren zur Verringerung der NOx-Emissionen und des Kraftstoffverbrauchs eines Benzinmotors ist es, sicherzustellen, daß ein mageres Kraftstoff-/Luft-Gemisch verwendet wird. Dies hat die Wirkung der Verdünnung des Kraftstoffs mit Luft und der Verringerung der Verbrennungstemperatur. Bei niedrigeren Verbrennungstemperaturen besteht die Neigung, daß sie zu verringerten NOx-Emissionen führen. Verringerte Drosselungsverluste und ein besserer Verbrennungswirkungsgrad der sogenannten mageren Verbrennung fuhren zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch. Ein Hauptnachteil dieses Ansatzes ist, daß in dem Abgas überschüssiger Sauerstoff vorhanden ist. Es ist deshalb nicht möglich, einen Reduktionskatalysator zu verwenden, falls weitere Verringerungen der NOx-Emissionen erforderlich sind.
  • Es ist auch bekannt, daß eine Wfrkung, die ahnlich derjenigen ist, die mit einer mageren Verbrennung erzielt wird, durch die Verwendung der Abgasrückführung (EGR) erzielt werden kann. Falls statt der Verdünnung der Verbrennungsgase mit überschüssiger Luft, diese mit zurückgeführtem Abgas verdünnt werden, können Temperaturverringerungen ohne die Verwendung von überschüssigem Sauerstoff erzielt werden. Der Verbrennungsprozess kann im wesentlichen stöchiometrisch sein, und es ist möglich, einen Reduktionskatalysator im dem Abgassystem für die Umwandlung von restlichem NOx zu verwenden. Ein weiterer Nutzen der Verwendung der EGR ist eine Verbesserung der Kraftstoffeinsparung aufgrund von verringerten Drosselungsverlusten in dem Ansaugluftstrom. Die Verwendung der EGR ist jedoch auch mit Nachteilen verbunden, wenn das Abgas in der ganzen Verbrennungskammer verteilt wird, weil es die Einleitung und das Fortschreiten der Flammenfront nachteilig beemflußt und zu der vorzeitigen Beendigung der Verbrennung führen kann und so für eine Erhöhung der Emission von unverbrannten Kohlenwasserstoffen verantwortlich ist.
  • Es ist auch bekannt, daß die mit der Verwendung der EGR verbundenen Probleme großenteils dadurch überwunden werden können, daß der Motor derart konfiguriert wird, daß in der Verbrennungskammer eme schichtenweise Ladung erzeugt wird, d.h. durch Anordnen der Luft- und Rückführabgaseinlässe derart, daß das Luft-Kraftstoff-Gemisch und das Rückfuhrabgas getrennte Bereiche der Verbrennungskammer einnehmen und im wesentlichen nicht gemischt werden. Außerdem verringert die Schichtenbildung des Abgases über Rissen, Öl und Ablagerungen in der Verbrennungskammer die HC-Emissionen dadurch, daß der Kontakt des Luft-/Kraftstoff-Gemisches mit dem Öl, den Rissen und Ablagerungen vermieden wird. Die bekannten Methoden, um dies zu erzielen, umfassen zusätzliche Einlaßöffnungen oder -ventile, die nur für die Ansaugüng des zurückgeführten Abgases verwendet werden oder die Mischung von Luft und Abgas vor dem oder während des Durchgangs durch das Einlaßventil gestatten. Motoren beider Typen sind in dem US Patent 4 193 382 offenbart.
  • Der Nachteil solcher Systeme ist, daß die zusätzliche Öffnung in die Verbrennungskammer die Kosten und die Komplexität erhöht und den für die anderen Merkmale der Verbrennungskammer wie den für Ansaug- und Auspuffventile und die Zündkerzen verfügbaren Raum beschränkt. Die Einleitung des Abgases in den Luftstrom vor dem Einlaßventil führt zu einem beträchtlichen Mischen und so zu einer unwirksamen Schichtenbildung und führt so zu den vorstehend erwähnten Nachteilen.
  • Die US-A-4 393 853 offenbart einen Vierzylinder-Motor, bei dem jeder Zylinder eme einzige Einlaßöffnung und eine einzige Auslaßöffnung aufweist, die in dem Zylinderkopf ausgebildet sind und einen weiteren, sich in tangentialer Richtung erstreckenden Abgasauslaß/EGR-Einlaß, der in der Zylinderwall ausgebildet ist und so angeordnet ist, daß er von dem Kolben 60º hinter der oberen Totpunktstellung freigelegt ist. Die Abgasauslässe/EGR-Einlässe der vier Zylinder sind miteinander in zwei Paaren verbunden. Die Einlaßöffnung ist schraubenförmig, wodurch die Einlaßluft bei dem Ansaughub in den Zylinder eingeführt wird, um emen Luftkörper zu bilden, der um die Zylinderachse herum wirbelt. Bei geringer Last, wenn der Abgasauslaß/EGR-Einlaß durch den Kolben freigelegt ist, wird zurückgeführtes Abgas tangential in den Zylinder von dem Zylinder aus emgeleitet, mit dem er verbunden ist, so daß es in der gleichen Richtung wie die Luft wirbelt. Das Abgas bleibt im wesentlichen außerhalb von der Luft und der Inhalt des Zylinders ist deshalb nominell radial geschichtet. Bei dem Auspuffhub werden die Abgase alle auf übliche Weise durch das Auspuffventil in dem Zylinderkopf mit Ausnahme des kleinen Anteils ausgestoßen, der von dem dazugehörigen Zylinder benötigt wird, und dieser wird durch die Abgasauslaß- /EGR-Einlaßöffnung abgegeben.
  • Abgesehen von der Tatsache, daß gefunden wurde, daß eine radiale Schichtenbildung aufgrund der Tatsache unzufriedenstellend ist, daß die beiden sich drehenden Gaskörper dazu neigen, beträchtlich gemischt zu werden, ist es nachteilig, eine Öffnung in der Zylinderwand anordnen zu müssen. So führt das Vorhandensein einer solchen Öffnung zu einem großen Verschleiß der Kolbenringe und zu einer Verwerfung der Zylinderwand, was zu einem großen Ölverbrauch führt. Außerdem neigt der Kolben dazu, das Schmieröl in die Öffnung zu schieben, und das Abgas enthält so einen relativ großen Anteil von unverbranntem oder teilweise verbranntem Öl.
  • Bei modernen Motoren mit vier Ventilen pro Zylinder ist es übliche Praxis, Luft in den Zylinder derart anzusaugen, daß eine Taumelbewegung auftritt, d.h. eine Drehung um eine Achse, die rechtwinklig zu der Zylinderachse ist.
  • Ein bekanntes Verfahren der Schaffung einer geschichteten Ladung mit einer em Taumeln induzierenden Verbrennungskammer ist in SAE 920670 beschrieben. Dort ist eine Verbrennungskammer mit zwei Ansaugventilen offenbart, deren Öffnungen zur Schaffung einer taumelnden Luftbewegung konstruiert sind. Ein Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist derart angeordnet, daß ein Kraftstoff-/Luft-Gemisch durch eines der Ansaugventile angesaugt wird, aber Luft allein durch das andere Ansaugventil angesaugt wird. Dies erzeugt eine horizontale Schichtenbildung in dem Zylinder derart, daß ein reiches Kraftstoff-/Luft- Gemisch an der einen Seite des Zylinders vorhanden ist und ein sehr schwaches Gemisch oder reine Luft an der anderen Seite vorhanden ist. Die Zündkerze ist innerhalb der Zone mit reichem Gemisch angeordnet, so daß der Kraftstoff leicht gezündet werden kann.
  • Der Nachteil dieses Systems ist derjenige, der auf andere Technologien mit magerer Verbrennung zutrifft. Das heißt, das Vorhandensein von überschüssigem Sauerstoff in dem Abgas verhindert die Verwendung eines Reduktionskatalysators.
  • Die GB-A-2 073 320, auf der der Oberbegriff von Anspruch 1 basiert, offenbart einen fremdgezündeten Motor, bei dem eine Abgasrückführung und Schichtenbildung des zurückgeführten Abgases verwendet wird. Der Rückführabgaskanal erstreckt sich von dem Abgaskanal zu einem Behälter, der über einen Drehschieber auch mit einem Teil des Einlaßkanals in Verbindung steht, der von dem übrigen Einlaßkanal durch ein Rohr oder eine ringförmige Trennwand abgetrennt ist. Bei der Verwendung öffnet sich der Drehschieber bevor sich das Einlaßventil öffnet, und die Einlaßöffnung wird mit einer vorbestimmten Menge Abgas gefüllt. Wenn sich das Einlaßventil öffnet, strömt das Abgas in dem Einlaßkanal in den Zylinder, und danach folgt Luft, um eine geschichetete Ladung innerhalb des Zylinders zu bilden.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen fremdgezündeten Motor zu schaffen, der so konfiguriert ist, daß er eine geschichtete Ladung in der oder in jeder Verbrennungskammer erzeugt und bei dem eine Abgasrückführung verwendet wird, aber bei dem keine zusätzlichen Öffnungen oder Ventile für die Einleitung des Abgases in den Zylinder verwendet werden, während die Trennung des Abgases von der Einlaßluft aufrechterhalten wird, bis der Zylinder erreicht wird und sie selbst dann im wesentlichen getrennt, d.h. geschichtet, hält.
  • Erfindungsgemäß ist ein fremdgezündeter Motor, bei dem eine Abgasrückführung und Schichtenbildung des zurückgeführten Abgases verwendet wird und der mindestens einen Zylinder, in dem ein Kolben untergebracht ist und der mit emer ersten Einlaßöffnung, die mit einem ersten Einlaßventil zusammenarbeitet, und einer zweiten Einlaßöffnung in Verbindung steht, die mit einem zweiten Einlaßventil zusammenarbeitet, um Luft in den Zylinder anzusaugen, mindestens eine Auspufföffnung, die mit einem Auspuffventil zusammenarbeitet, um Abgas aus dem Zylinder abzugeben, und eine Kraftstoffzuführeinrichtung besitzt, die angeordnet ist, um Kraftstoff in die zweite Einlaßöffnung einzuleiten, gekennzeichnet durch einen Abgasrückführungskanal, der die Auspufföffnung mit der ersten Einlaßöffnung verbindet, und durch ein Abzweigventil (15), das an der Verbindung des Abgasrückführungskanals und der Einlaßöffnung liegt und zumindest bei niedrigen Motorlasten gesteuert ist, um die Einlaßöffnung mit dem Abgasrückfünrungskanal zu verbinden, und bei hohen Motorlasten gesteuert ist, um die Einlaßöffnung mit der Atmosphäre zu verbinden, wobei die Einlaßöffnungen vom Taumeltyp sind, wodurch das durch sie einströmende Gas innerhalb des jeweiligen Bereichs des Zylinders um eine Achse wirbelt, die im wesentlichen rechtwinklig zu der Zylinderachse ist.
  • Das zurückgeführte Abgas (REG) wird so in den oder jeden Zylinder durch die Einlaßöffnung oder eine der Einlaßöffnungen angesaugt, jedoch nicht gleichzeitig wie die Einlaßluft oder das Luft-/Kraftstoff-Gemisch. Während der Betriebszeit von anderen Teilen des Motors strömt Luft oder das Luft-/Kraftstoff- Gemisch auf übliche Weise durch die Einlaßöffnung, d.h. nicht mit REG gemischt. So ist keine getrennte Einlaßöffnung für das REG erforderlich, aber aufgrund der Tatsache, daß Luft oder das Luft-/Kraftstoff-Gemisch und REG durch die Einlaßöffnung zu unterschiedlichen Zeiten strömen, findet kein wesentliches Mischen von Luft und REG statt, wodurch sie innerhalb des Zylinders deutlich geschichtet sind.
  • Die Steuerung der zweiten Einlaßöffnung kann durch Vorsehen eines Ventils in der zweiten Einlaßöffnung durchgeführt werden, das nach Wunsch geöffnet oder geschlossen wird oder dadurch, daß das dazugehörige Ventil mit an sich bekannten Sperreinrichtungen versehen ist, die sicherstellen, daß das Ventil bei geringen Lasten nicht betriebsfähig ist und geschlossen bleibt, aber auf herkömmliche Weise bei hohen Lasten geöffnet und geschlossen wird. Das Vorsehen dieser zusätzlichen Einlaßöffnung gestattet es, daß ein größeres Luftvolumen dem Zylinder zu jenen Zeiten zugeführt wird, wenn es benötigt wird, d.h. bei hohen Motorlasten.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Motor werden die durch die Einlaßöffnungen in den Zylinder eingeleiteten Gase horizontal geschichtet, d.h. sie sind voneinander in der Richtung getrennt, die rechtwinklig und nicht parallel zu der Richtung der Zylinderachse ist. Es ist ersichtlich, daß die Verbindung des EGR-Kanals zu der Auspufföffnung direkt oder indirekt sein kann, der Kanal kann beispielsweise irgendwo stromabwärts von der Auspufföffnung mit dem Auspuffkrümmer verbunden sein. Im Betrieb wird REG unter Teillastbedingungen durch die erste Einlaßöffnung in den Zylinder gesaugt. Unter diesen Bedingungen tritt das gesamte Verbrennungskraftstoff-/Luft-Gemisch durch die zweite Einlaßöffnung in den Zylinder ein. Wenn sich die Motorlast erhöht, wird ein Punkt erreicht, bei dem mehr Luft für die Verbrennung erforderlich ist als durch eine Einlaßöffnung zugeführt werden kann. Zu diesem Zeitpunkt wird das Abzweigventil bewegt, um die erste Einlaßöffnung mit der Atmosphäre statt mit dem EGR-Kanal zu verbinden, wodurch die Zuführung von REG abgeschaltet wird und Luft durch die erste Einlaßöffnung eingesaugt wird. Wenn sich die Motorlast unterhalb des Schaltpunkts erhöht, kann die Massenströmungsgeschwindigkeit des REG mittels eines Drosselventfis mit einer gesteuerten Geschwindigkeit verringert werden, das an der ersten Einlaßöffnung vorgesehen ist, und bei Lasten oberhalb des Schaltpunkts kann die Massenströmungsgeschwindigkeit der Luft mittels des Drosselventils erhöht werden. Unter gewissen Umständen kann es wünschenswert sein, eine Mischung von REG und Luft durch die erste Einlaßöffnung in dem Bereich des Schaltpunkts zuzuführen. Das notwendige Schalten und die notwendige Steuerung wird selbstverständlich durch ein Steuersystem, beispielsweise ein Motorsteuersystem durchgeführt, das typischerweise auf einem Mikroprozessor beruht.
  • Es ist selbstverständlich notwendig, daß der Motor eine Zündkerze umfaßt, die so angeordnet ist, daß sie von dem Kraftstoff-/Luft-Gemisch umgeben wird, und so ist zur Zündung des Kraftstoff-/Luftgemisches bei Lasten unterhalb des Schaltpunkts eine Zündkerze vorzugsweise an der Seite des Zylinders angeordnet, der das Kraftstoff-/Luft-Gemisch enthält. Da eine zentralere Stellung für den Vollastbetrieb bevorzugt wird, d.h. wenn kein REG innerhalb des Zylinders vorhanden ist, können zwei Zündkerzen vorgesehen sein, wobei die eine nahe dem Mittelpunkt des Zylinders angeordnet ist, die nur unter hohen Lastbedingungen arbeitet. Die Zündkerze, die in Richtung auf die Seite des Zylinders angeordnet ist, arbeitet vorzugsweise nur unter Lastbedingungen unterhalb des Schaltpunkts.
  • Dieses Zuführen des REG wird hauptsächlich in Abhängigkeit von der Motorlast gesteuert, die eng mit der Menge an Kraftstoff zusanunenhängt, die während des ersten Zyklus in den Zylinder eingespritzt wird, aber in der Praxis ist es wünschenswert, auch den Steuerungsparameter in Abhängigkeit von der Motordrehzahl zu modilizieren, obgleich die Abhängigkeit von der Drehzahl von geringer Bedeutung im Vergleich zu der Abhängigkeit von der Last ist.
  • Es ist beabsichtigt, daß zurückgeführtes Abgas in den Zylinder nur bei relativ niedrigen Motorlasten eingeleitet werden sollte und daß es bei höheren Motorlasten durch Luft ersetzt werden sollte. Es wird jedoch auch in Betracht gezogen, daß eine Menge an Abgas bei allen Motordrehzahlen eingeleitet werden kann, um die bekannten Vorteile zu erzielen. Dies kann einfach durch entsprechendes Programmieren des dazugehörigen elektronischen Steuersystems erreicht werden.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung sind aus der nachfolgenden Beschreibung emer spezifischen Ausführungsform des EGR-Motors mit geschichteter Ladung gemäß der Erfindung ersichtlich, die unter Bezugnahme auf die beilegenden Zeichnungen erfolgt, in denen zeigen:
  • Fig. 1 einen Schnitt durch eine Vierventil-Verbrennungskammer und die dazugehörigen Kanäle, und
  • Fig. 2 eine Seitenansicht der gleichen Verbrennungskammer.
  • Nur ein einziger Zylinder ist gezeigt und beschrieben, aber es ist ersichtlich, daß wahrend der Motor nur einen einzigen Zylinder haben kann, der Zylinder in der Praxis einer von einer Anzahl von gleichen Zylindern, beispielsweise vier oder mehr Zylindern sein kann.
  • Fig. 1 und 2 zeigen einen einzigen Zylinder eines fremdgezündeten Motors, bei dem in einem Zylinder 2 ein hin- und hergehender Kolben 32 untergebracht ist und der durch einen Zylinderkopf 1 geschlossen ist, der zwei Einlaßventile 3 und 4, die jeweils Einlaßöffnungen 11 und 12 steuern, und zwei Auspuffventile 5 und 6 umfaßt, die jeweils Auspufföffnungen 7 und 8 steuern. Die Auspufföffnungen 7 und 8 stehen mit dem Auspufanal 9 und dem EGR-Kanal 10 in Verbindung. Einlaßöffnungen 11 und 12 liegen im allgemeinen parallel und stehen mit im allgemeinen parallelen Einlaßkanälen 13 und 14 in Verbindung. Der EGR-Kanal 10 steht mit dem Einlaßkanal 13 über das Abzweigventil 15 in Verbindung. Der Einlaßkanal 14 führt Luft der Öffnung 12 und dem Ventil 4 zu und enthält die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 16. Die Einlaßkanäle 13 und 14 sind jeweils mit Drosselventilen 17 und 18 ausgestattet. Die verschiedenen Komponenten des Motors, einschließlich der Kraftstoffeinspritzeinrichtung, dem Drosselventil und dem Abzweigventil werden durch ein elektronischen Steuersystem (nicht gezeigt) gesteuert.
  • Die Einlaßöffnungen sind ausgerichtet, d.h. die Luftströmung durch sie hindurch neigt dazu, hauptsächlich in einer radialen Richtung mit Bezug auf die axiale Richtung des dazugehörigen Ventils zu strömen. Aufgrund der Stellung und der Ausrichtung der Einlaßöffnungen und -ventile sind die Einlaßöffnungen auch vom Taumeltyp, d.h. das durch sie strömende Gas neigt dazu, sich innerhalb des Zylinders um eine Achse rechtwinklig zu der Zylinderachse zu drehen oder um diese zu taumeln.
  • Bei der Verwendung hängt die Art der Strömung durch die Öffnungen von der Motorlast ab. Unter leichten Lastbedingungen gestattet das Ventil 15 eine Strömung nur von dem EGR-Kanal 10 in den Kanal 13. Das Drosselventil 18 gestattet eine Strömung der Luft in die Öffnung 12. Das REG und die Luft strömen mit einer durch den Pfeil 19 angegebenen Taumelbewegung in den Zylinder 2. Eine Schichtenbildung der Ladung wird in dem Zylinder derart erzeugt, daß der Bereich 20 (der durch Kreuzschraffierung angegeben ist) im wesentlichen reines REG enthält und der übrige Teil des Zylinders, der Bereich 21, eine im wesentlichen stöchiometrische Kraftstoff- und Luftmischung enthält. Die Mischung wird entweder durch die Zündkerze 22 oder 23 oder beide in Abhängigkeit von den erforderlichen Verbrennungsbedingungen gezündet. Unter größeren Lastbedingungen wird das Ventil 15 bewegt, damit nur Luft durch die Einlaßöffnung 11 strömen kann. Bei allen Lasten strömt REG allein oder Luft allein durch die Einlaßöffnung 11 und so wird unter leichten Lastbedingungen eine relativ abgegrenzte Ladungsschichtenbildung in dem Zylinder erzeugt.
  • Es ist ersichtlich, daß zahlreiche Abänderungen bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform durchgeführt werden können. So kann eine zusätzliche Einlaßöffnung vorgesehen werden, um insgesamt drei Einlaßöffnungen vorzusehen. Diese weitere Öffnung wäre normalerweise mittels eines Drosselventils oder des dazugehörigen Ventils geschlossen, das unter niedrigen Lastbedingungen deaktiviert ist, und Luft würde normalerweise nur unter hohen Lastbedingungen strömen. Die dritte Einlaßöffnung kann zwischen den beiden gezeigten Einlaßöffnungen liegen. Der Betrieb dieser Ausführungsform ist im wesentliehen der gleiche wie vorstehend angegeben, aber die Schichtenbildung kann angeordnet werden, um eine Zone von Kraftstoff-/Luft-Gemisch zwischen zwei Zonen von zurückgeführtem Abgas zu erzeugen. Außerdem kann, statt mittels des Drosselventils zu verhindern, daß Luft durch die Einlaßöffnung unter niedrigen Lastbedingungen strömt, die gleiche Wirkung durch die Deaktivierung des dazugehörigen Einlaßventils erreicht werden.

Claims (3)

1. Fremdgezündeter Motor, bei dem eine Abgasrückführung und Schichtenbildung des zurückgeführten Abgases verwendet wird und der mindestens einen Zylinder (2), in dem ein Kolben (32) untergebracht ist und der mit einer ersten Einlaßöffnung (11), die mit einem ersten Einlaßventil (3) zusammenarbeitet, und einer zweiten Einlaßöffnung (12) in Verbindung steht, die mit einem zweiten Einlaßventil (4) zusammenarbeitet, um Luft in den Zylinder anzusaugen, mindestens eine Auspuffisffnung (7), die mit einem Auspuffventil (5) zusammenarbeitet, um Abgas aus dem Zylinder abzugeben, und eine Kraftstoffzuführeinrichtung (16) besitzt, die angeordnet ist, um Kraftstoff in die zweite Einlaßöffnung (12) einzuleiten, gekennzeichnet durch einen Abgasrückführungskanal (10), der die Auspufföffnung (7) mit der ersten Einlaßöffnung (11) verbindet, und durch ein Abzweigventil (15), das an der Verbindung des Abgasrückführungskanals (10) und der Einlaßöffnung (11) liegt und zumindest bei niedrigen Motorlasten gesteuert ist, um die Einlaßöffnung (11) mit dem Abgasrücktührungskanal (10) zu verbinden, und bei hohen Motorlasten gesteuert ist, um die Einlaßöffnung (11) mit der Atmosphäre zu verbinden, wobei die Einlaßöffnungen (11, 12) vom Taumeltyp sind, wodurch das durch sie einströmende Gas innerhalb des jeweiligen Bereichs des Zylinders um eine Achse wirbelt, die im wesentlichen rechtwinklig zu der Zylinderachse ist.
2. Motor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Ventileinrichtung (18), die die zweite Einlaßöffnung (12) steuert, die gesteuert wird, um es zu gestatten, daß ein zunehmend größer werdendes Volumen Luft durch die Einlaßöffnung (12) strömt, wenn die Motorlast zunimmt.
3. Motor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine zweite Auspufföffnung (8), die mit einem Auspuffrentil (6) zusammenarbeitet.
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