DE2230234A1

DE2230234A1 - Kolbenbrennkraftmaschine mit einer vorkammer

Info

Publication number: DE2230234A1
Application number: DE2230234A
Authority: DE
Inventors: Robert Happel
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1972-06-21
Filing date: 1972-06-21
Publication date: 1974-01-10
Also published as: DE2230234B2; JPS4956015A; DE2230234C3; GB1433508A

Description

Daimler-Benz Aktiengesellschaft Daim 9472/4

Stuttgart-Unterfrkheira IG. Juni 1972

Kolbenbremikraftmuschino mit einer Vorkammer"

Die llrfiiidang bezieht äich auf eine Kolbenbrennkraftmascliine mit einer Vorkammer, aiu eine Kraftstoff einspritzdüse and eine Zündkerze aufweist and die-durch eine mit einer ί berströmvorrichtung versehene Öffnung mit dem Z^linderraiun verbindbar ist.

Bei einer bekannten derartigen Brennkraftmaschine (DOS 2 063 CU;9) soll eine verbesserte Verbrennung durch ein besonderes Sechstaktverfahren erreicht werden. Dazu ist die Vorkammer mit dem Auslaßkanal und der Zylinderraum mit dem Einlaßkanal verbunden. L'in Einlaßventil, ein Auslaßventil und ein ί berstro'm ventil werden durch drei Nockenwellen angetrieben.

Der Erfindung liegt ebenfalls die Aufgabe zugrunde, die Verbrennung zu verbessern, und zwar durch eine einfach aufgebaute Mascliine, die es erlaubt, bei dem üblichen Viertaktverfahren den Anteil der schädlichen Bestandteile an den Abgasen noch weiter herabzusetzen und gleichzeitig den Wirkungsgrad der 'Mascliine zu erhöhen. Dies geschieht nach der Erfindung dadurch, daß die Vorkammer ferner durch eine mit einer Einlaßvorrichtung versehene Öffnung mit der Einlaßleitung der Kolbenbrennkraftmaschine verbindbar ist. Durch diese Maßnahme ist es mög-

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lieh, die Frischluft der Vorkammer unter besonders guter Spülwirkung zuzuführen, während die Abgase unmittelbar aus dem Zylinderraum in den .Abgaskanal entweichen können.

Nach weiteren Ausgestaltungen der Erfindung ist es möglich, daß die Einlaßleitung in die Vorkammer einmündet oder daß die Einlaßleitung in den Zylinderraum und eine Zweigleitung der Einlaßleitung in die Vorkammer einmündet. Die letztgenannte Ausführung hat den Vorteil geringerer Strömungswiderstände, da ein Teil der Frischluft unter Umgehung der Vorkammer unmittelbar in den Zylinderraum angesaugt wird.

Eine besonders raumsparende Steuerung des Gaswechsels der Kolbenbrennkraftmaschine ergibt sich erfindungsgemäß dadurch, daß die Einlaß-, Auslaß- und l'berström vorrichtungen der Kolbenbrennkraftmaschine als Ventile ausgebildet sind, die durch Schwinghebel von einer einzigen Nockenwelle betätigt werden.

Eine weitere Vereinfachung der Steuerung erhält man nach der Erfindung dadurch, daß das Einlaßventil am Zylinderraum und das Einlaßventil an der Vorkammer durch einen gemeinsamen Schwinghebel betätigt werden.

Erfindungsgemäß wird die Kolbenbrennkraftmaschine vorteilhaft nach einem Viertaktverfahren in der Weise betrieben, daß während des Ansaugtaktes Luft bei geöffneter l'berström vor richtung in den Zylinderraum und in die Vorkammer gesaugt wird und daß,sobald die Einlaßvorrichtun-. gen während des Verdichtungstaktes geschlossen sind, die Überstrom-

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vorrichtung zu schließen beginnt und gleichzeitig Kraftstoff solange in die Vorkammer eingespritzt wird, bis die ί berströmvorrichtung gegen Ende des Verdichtungstaktes ganz geschlossen ist und das Gemisch in der Vorkammer gezündet wird, während die im Zylinderraum befindliche Restluftmenge weiter, verdichtet wird, und daß unmittelbar vor und zu Beginn.des Arbeitstaktes das in der Vorkammer nahezu vollständig verbrannte Gemisch durch die sich wieder öffnende ( berströmvorrichtung in den Zylinderraum strömt und sich dort mit der hochverdichteten Restluftmenge vermischt, wobei noch unvollständig verbrannte Gasanteile verbrannt werden.

Durch das kurzzeitige SchJießen des i berströmventiles gegen Ende des Verdichtungshubes lassen sich in der Vorkammer und im Zylinderraum unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse erzielen. Das in der Vorkammer herrschende niedere Verdichtungsverhältnis ermöglicht die Verbrennung leichtsiedender Kraftstoffe mit verhältnismäßig niederen Oktanzahlen. Der Bleigehalt im Kraftstoff und demzufolge auch in den Abgasen läßt sich auf diese Weise wesentlich senken. Der stufenweise Ablauf der Verbrennung in zwei Reaktionsräumen führt im Zylinderraum zu Luftüberschußzahlen, bei denen unverbrannte Kohlenwasserstoffe und die Bildung von Kohlenmonoxyd im ganzen Drehzahlbereich der Maschine einschließlich beim Beschleunigen oder Verzögern, weitgehend vermieden werden. Durch die dabei auftretenden verhältnismäßig niederen Verbrennungstemperaturen wird auch die Bildung von Stickoxyden stark eingeschränkt. Darüber hinaus führt dieses stufenweise Verbrennungsverfahren durch die Vermeidung hoher Zünddrücke in der Vorkammer zu einem ruhigeren T,auf der Kolbenbremse raft maschine. Der hohe Verdichtungsgrad der Rustli.ftinenge verbessert den thermischen Wirkungsgrad und damit den wirtschaftlichen Betrieb der Maschine.

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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der durch die Zweigleitung in die Vprkamirser angesaugten .Luft zur Bildung eines mageren Gemisches Kraftstoff, z.B. durch eine Einspritzdüse, zugeführt. Dadurch läßt sich eine besonders gute Aufbereitung des Luft-Kraftstoff Gemisches und damit eine bessere Verbrennung erreichen.

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Ls zeigen.

Fig. 1 einen Querschnitt durch den Zylinderkopf und

einen Teil des Zylinderblockes einer Kolbenbrennkraftmaschine, in

PIg. 2 das Steuerdiagrarmn dieser Maschine, in

Fig. 3 einen Schnitt durch den Zylinderkopf und einen

Teil des Zylinderblockes einer anderen Kolbenbrennkraftmaschine nach der Linie III-HI der Fig. 4, in

Fig. 4 einen Schnitt durch diese Maschine nach der

Linie IV-IV der Fig. 3, in

Fig. 5 eine Draufsicht auf die Ventilsteuerung dieser

Maschine, und in

Fig. (J einen Querschnitt durch einen Teil des Zylinderkopfes einer weiteren Kolbenbrennkraftmaschine.

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In den Zylinderblock 11 der in Fig. 1 dargestellten mehrzylindrigen KoI-benbremikraftmaseliine sind Zylinderbohrungen 12 für die Aufnahme von Kolben 13 eingearbeitet. Jeweils eine Zylinderbohrung 12 umschließt zusammen mit einem Kolben 13 und einer Mulde 14 im Zylinderkopf 15 einen Zylinderraum IG. Der Zylinderraum If! setzt sich aus einem Tlubraum 17 und aus einem Verdichtungsraum Ic. zusammen, deren gegenseitige Abgrenzung etwa in der Ebene der Trennfuge 19 zwischen dem Zylinderblock 11 und dexn Zylinderkopf 15 liegt.

Im Zylinderkopf 15 sind Einlaßkanäle 20 mit Einlaßventilen 21 sowie Auslaßkanäle 22 mit Auslaßventilen 23 angeordnet. Die Einlaßventile 21 und die Auslaßventile 23 werden durch Ventilfedern 24, die sich jeweils am Zylinderkopf 15 und an dem am Ventilschaft. 25 befestigten Federteller 2(i abstützen, in ihre geschlossene Stellung gedrückt. Auf Eagerböcken 27 schwenkbar gelagerte Schwinghebel 21 liegen mit ihren freien Enden an den Stirnseiten der Ventilschäfte 25 an. Durch eine Nockenwelle 29 können die Schwinghebel 2! zum Öffnen der Einlaßventile 21 oder der Auslaßventile 23 entgegen dem Druck der .Ventilfedern 24 nach unten geschwenkt werden. Der Zylinderkopf 15 ist mit der Nockenwelle 29 und den übrigen Steuerungsteilen durch eine Zylinderkopfhaube 30 abgedeckt. Hohlräume 31 dienen zur Aufnahme eines Kühlmittels.

Im Zylinderkopf 15 befindet sich über jedem Zylinderraum IC eine Vorkammer 32, die eine Einspritzdüse 33 eines Niederdruck-Einspritzsystems und eine Zündkerze 34 aufweist. Durch eine Einlaßöffnung 35, in der das Einlaßventil 21 angeordnet ist, ist die Vorkammer 32 mit dem Einlaßkanal 20 verbunden. Ferner verbindet ein Eberströmkanal 36 mit einer Off-

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nung 37 die Vorkammer 32 mit dem Zylinderraum IG. Über die Öffnung 37 ist ein I berströmventil 3ii angeordnet, dessen in einer Bohrung 39 geführter Ventilkolben 40 die Öffnung 37 öffnen oder schließen kann. Dazu ist der Ventilkolben 40 mit einem Schaft 41 versehen, der über den Zylinderkopf 15 hinausragt und an dessen Ende ein Federteller 42 befestigt ist. Am Zylinderkopf 15 und dem Federteller 42 stützt sich eine Druckfeder 43 ab, die das ί berströmventil 3ο in die offene Stellung drückt. Von einem Nocken 44 der Nockenwelle 29 kann das Überströmventil 3U über einen Schwinghebel 45 in die geschlossene Stellung gedrückt werden, in der der Ventilkolben 40 an einem Ventilsitz 4G anliegt und dabei die Öffnung 37 sperrt. Bohrungen 47 im Ventilkolben 40 entlüften den hinter diesem liegenden Raum der Bohrung 39.

Die Kolbenbrennkraftmaschine arbeitet nach einem Viertaktverfahren, dessen Steuerzeiten im Verhältnis zum Umdrehungswinkel der Kurbelwelle in dem in Fig. 2 dargestellten Steuerdiagramm angegeben sind. Die Drehrichtung der Kurbelwelle ist mit einem Pfeil angedeutet. Die einzelnen Takte sind durch Halbkreise dargestellt und mit römischen Ziffern bezeichnet, und zwar I Ansaugtakt, II Verdichtungstakt, III Arbeitstakt und IV Auspufftakt. Mit OT ist der obere Totpunkt und mit UT der untere Totpunkt des Kolbens 13 angegeben. Die Steuerzeiten für das Einlaßventil 21, das Auslaßventil 23 und das I berströmventil 3c sind mit Großbuchstaben bezeichnet. Wie aus der folgenden Beschreibung ersichtlich ist, entsprechen die Steuerzeiten für das Einlaßventil 21 und das Auslaßventil 23 denen der üblichen Viertaktverfahren.

Während des Ansaugtaktes I wird durch den in der Zylinderbohrung 12 abwärtsgehenden Kolben 13 bei geöffnetem Einlaßventil 21 und geöffnetem

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Γ berströmventil 3; Luft in den Zylinderraum IG und in die Vorkammer 32 gesaugt. T>as zunächst zum .Ausspülen der Abgasreste noch geöffnete AuslaPventil 23 wird nach einem Kurbelwinkol, dessen Endpunkt im Steuerdiagramm dem Punkt Λ entspricht, geschlossen.

Im Verdichtungstakt II wird die Luft im Zylinderraum IG und in der Vorkammer 32 unter stetigem Ansteigen des Druckes und der Temperatur verdichtet. Sobald das Einlaßventil 21 bei Punkt B des Steuerdiagrammes nach einem Kurbelwinkel von etwa. 50 Grad nach dem unteren Totpunkt geschlossen hat, beginnt auch das ί berströmventil 3!' zu schließen. Gleichzeitig wird durch die Einspritzdüse 33 Kraftstoff, z. B. mit einem Druck von 30 Atmosphären, in die Vorkammer 32 eingespritzt. Die bei der Verdichtung in die Vorkammer 32 zurückströmende Euft verwirbelt den Kraftstoff und heizt ihn auf, so daß sich in der Vorkammer 32 ein zündfreudiges Euft-Kraftstoff-Geniisch bildet. Bei Punkt C des Steuerdiagrammes, der einem Kurbelwinkel von 20 bis 30 Grad vor dem oberen Totpunkt entspricht, ist im Zylinderraum IG und in der Vorkammer 32 ein geometrisches Verdichtungsverhältnis von etwa 7 : 1 erreicht. In diesem Punkt ist die Öffnung 37 durch das ί berströmventil 3u vollständig geschlossen und das Einspritzen des Kraftstoffes beendet. Gleichzeitig wird das Gemisch in der Vorkammer durch die Zündkerze 34 gezündet. Die Eiiispritzdauer und der Zündzeitpunkt sind im Steuerdiagramm mit einem Kreisbogen bzw. einem doppelt abgewinkelten Pfeil angedeutet. Bis das ί berströmventil 3Ί sich kurz nach der Zündung wieder zu öffnen beginnt, verbrennt das Gemisch in der Vorkammer 32 zunächst bei konstantem Volumen, wobei der Gasdruck und tue Gastemperatur ansteigen. Darauf strömen die fast vollständig verbrannten Gase durch den ΐ berströjiikanal 3d und die von dem rasch in die Bohrung 39 eintauchenden Ventilkolben 40 des I berströmventiles 31 zunehmend mehr freigegebene Öffnung o^ri in den Zylinderraum IP-, in dem die Hestluft bis zum Erreichen des oberen Totpunktes durch den Kolben 13 noch weiter bis etwa

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auf ein Verdichtungsverhältnis zwischen 9 : 1 und 14:1 verdichtet wurde.

Die unmittelbar vor und zu Beginn des Arbeitstaktes ΓΙΙ mit großer Strömungsenergie und stark verwirbelt aus der Vorkammer 32 in den Zylinderraum 1Π einströmenden Gase vermischen sich schnell und eingehend mit der hochverdichteten Luft, wobei die noch u^verbrannten Gasanteile unter weiterer Wärmeentwicklung verbrannt werden. Bei einem Kurbelwinkel von etwa 7 5 Grad nach dem oberen Totpunkt, dessen Endpunkt im Steuerdiagramm dem Punkt D entspricht, hat das i'berströmventil 3L seine obere radstellung erreicht, in der die Öffnung 3Ί vollständig frei ist. Die Luftüberschußzahl, die je nach der Belastung der Maschine in der geschlossenen Vorkammer 32 einen Wert von 0, i; bis 1, 2 hat, erreicht nach dem Vermischen der aus der Vorkammer 32 ausströmenden Gase mit der Restluftmenge im Zylinderraum 10 Werte zwischen 1,2 und 1, 7. Bei Punkt K im Steuerdiagramm beginnt das Auslaßventil 23 zu öffnen, so daß eine Teilmenge der sich im Zylinderraum IG ausdehnenden Gase in den Auslaßkanal 22 einströmen kann.

Im Auspufftakt IV werden die schon weitgehend entspannten Abgase von dem Kolben 13 ausgeschoben. Kurz vor dem oberen Totpunkt öffnet das Einlaßventil 21 bei Punkt F des Steuerdiagrammes und leitet damit bei geöffnetem ( berströmventil 3; eine wirkungsvolle Spülung der Vorkammer 32 und des Zylinderraumes IG ein, die sich noch kurzzeitig bis in den Anfang des nun folgenden Ansaugtaktes I des neuen Arbeitsspieles fortsetzt.

Die in den Fig. 3 bis 5 dargestellte Kolbenbrennkraftmaschine weist wie die oben beschriebene Ausführung eine Vorkammer 4«; mit einer Einspritzdüse 49 und einer Zündkerze 50 auf, die durch eine mit einem rberström-

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ventil 51 versehene Öffnung 52 mit dem Zylinderraum 53 verbindbar ist. 54 ist der ! berströmkanal und 55 ein muldenförmiger Teil des Verdichtungsraumes. Die Kolbenbrennkraftmaschine unterscheidet sich vom Beispiel nach Ι·'ίί,. * i'ⁿ wesentlichen dadurch, daß die Einlaßleitung 50 unmittelbar in den Zylinderraum 53 einmündet und eine Zweigleitung 57 der Eirilaßleitung 50 zu einer JEinlaßöffnung 5!i der Vorkammer 4ΰ führt. Entsprechend ist die Einlaßleitung 50 am Zylinderraum 53 mit einem Einlaßventil 59 und die Zweigleitung 57 an der Vorkammer 4t; mit einem Einlaßventil GO versehen. Ein Nocken Gl einer Nockenwelle 02 treibt über einen gemeinsamen, T-förmig gestalteten Schwinghebel 63 gleichzeitig beide !Einlaßventile 59 und 00 an. Von der einzigen Nockenwelle 62 werden außerdem das Auslaßventil 04 an der .Auslaßleitung 05 und das I berstromventil 51 über Schwinghebel 00 bzw. 07 betätigt.

Im Ansaugtakt der Kolbenbrennkraftmaschine saugt der abwärtsgehende Kolben 0ί. bei geöffnetem ( berstromventil 51 gleichzeitig Luft durch die Einlaßleitung 50 und die Zweigleitung 57 in den Zylinderraum 53 und die Vorkammer 4Γ. Der Strömungswiderstand ist dadurch, daß nicht die gesamte in den Zylinderraum 53 gesaugte Luft durch die Vorkammer -Il und den ί berströmkanal 54 geführt wird, wesentlich kleiner, was zu einer besseren Füllung und damit zu einer höheren Leistung der Kolbenbrennkraftmaschine führt." Im übrigen verläuft das Viertaktverfahren in der gleichen Weise wie bei der Kolbenbrennkraftmaschine nach Fig. 1, so daß ein Steuerdiagramm nach Fig. 2 auch für diese Ausführung gültig ist. Die Punkte F und B bedeuten in diesem Falle das gleichzeitige Öffnen bzw. das gleichzeitige Schließen der beiden Einlaßventile 59 und GO.

Fig. 0 zeigt eine Zweigleitung 69 und eine Vorkammer 70 im Zylinderkopf 71 einer entsprechend dem vorangehenden Beispiel aufgebauten KoI-

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benbrennkraftmaschine. Durch eine zusätzliche Einspritzdüse 72 eines Niederdruckeinspritzsystems kann Kraftstoff in die Zweigleitung 69 oberhalb des Einlaßventils 73 eingespritzt werden. Dadurch ist es möglich, im Ansaugtakt bereits ein mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch in die Vorkammer 70 zu saugen, in das durch die nicht dargestellte Einspritzdüse an der Vorkammer 70 weiterer Kraftstoff eingespritzt wird. Durch diese Ausführung kann in der Vorkammer 70 eine noch bessere Gemischaufbereitung erzielt werden. Statt einer Einspritzdüse 72 kann zum gleichen Zweck auch ein Vergaser an der Zweigleitung 69 angeordnet werden.

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Claims

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Ansprüche

Kolbenbrennkraftmaschine mit einer Vorkammer, die eine Kraftstoffeinspritzdüse und eine Zündkerze aufweist und die durch eine mit einer t berströmvorrichtung versehene öffnung mit dem Zylinderraum verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkammer (32;4; ) ferner durch eine nut einer T'inlaßvorrichtung (21, GO) versehene Öffnung (35;5> ) mit der Kinlaßleitung (2ü;56) der Kolbenbrennkraftmaschine verbindbar ist.
2. Kolbenbrennkraftmascliinc nach .Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kinlaßleitung (20) in die Vorkammer (32) einmündet.
3. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Finlaßleitung (5i) in den Zylinderraum (53) und eine Zweigleitung (5^) der rinlaßleitung (50) in die Vorkammer (4ί>) einmündet.
4. Kolbenbrennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die 1 inlaß-, Auslaß- und (berströmvorrichtungen der Kolbenbrennkraftmaschine als Ventile (21, 23, 3<;59, 60, 64, 51) ausgebildet sind, die durch Schwinghebel (2;., 45;C3, 66, 67) von einer einzigen Nockenwelle (29;fί2) betätigt werden.
5. Kolbenbrennkraftmas chine nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlaßventil (59) am Zylinderraum (53) und das !Einlaßventil ( ■()) an der Vorkammer (4ί.) durch einen gemeinsamen Schwinghebel (G3) betätigt werden.

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G. Viertaktverfahren für eine Reihenbrennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet., dai? während des Ansau^taktcs Luft bei geöffneter ( bersirürnvorrichtung (3i;;51) in den Zylinderraum (10;53) und in die Vorkammer (32;4ö) gesaugt wird und daP, sobald die I.'inU\i^^rorx'3chtungen (21;59, GO) während des Verdichtungstaktes geschlossen sind, die t berströmvorrichtung (3(.;51) zu schließen beginnt und gleichzeitig Kraftstoff solange in die Vorkammer (32;4<) eingespritzt '.vird, bis die ί b-jrströmvorrichtung (3i;51) gegen Ende des Verdichtungstaktes ganz geschlossen ist und das Gemisch in der Vorkammer (,;2;4i-) gezündet wird, während die im Zy.linderraum (1Π;53) befindliche Hestluftmenge weiter verdichtet wird, und daß unmittelbar vor und zu Beginn des Arbeitstaktes das in der Vorkammer (32;4; ) nahezu vollständig verbrannte Gemisch durch die sich wieder öffnende ί"berstrurn vorrichtung (3ίί, 51) in den Zyünderraum {IC;0 3) strömt und sich dort mit der hochverdichteten Restiuftmenge vermischt, wobei noch unvollständig verbrannte Gasanteile verbrannt werden.

1. Viertaktverfahren nach Anspruch G für eine Kolbenbrennkraftmaschine mit einer Zweigleitung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Zweigleitung (69) in die Vorkammer (70) angesaugten Luft zur Bildung eines mageren Gemisches Kraftstoff, z.B. durcli eine Einspritzdüse (73), zugeführt wird.

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