DE3622418A1 - Zeitlich und raeumlich gesteuerte stufenschichtladung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Einbringung einer Schichtladung bei Ottomotoren, bei dem eine fettere und eine magere Schicht sich in der Brennkammer befindet.

Die Schichtladung bei Ottomotoren ermöglicht den Betrieb mit sehr mageren Gemischen. Dabei sollen Verbrauchszahlen wie beim Diesel­ motor verbunden mit sehr niedrigen CO-, CH- und NOx-Anteilen im Ab­ gas erreicht werden.

Die Ausführungen mit Nebenkammer für das Fettgemisch, z.B. CVCC-Motor von Honda, brachten nicht den gewünschten Erfolg. Infolge der zerklüfteten Brennräume waren die CH hoch und auch der Verbrauch entsprach nicht den Erwartungen.

Schichtladung in einem Brennraum mit besonders gerichteter Direkt­ einspritzung, z.B. Proco-Motor von Ford, brachten im dauernd wech­ selnden Drehzahl- und Lastbereich bei Automotoren trotz sehr langer Entwicklungszeit keine zufriedenstellenden Ergebnisse.

Außerdem sind diese Entwicklungen aufwendig und teuer.

Aufgabe der Erfindung ist, bei niedrigen Verbrauchszahlen, wie bei Dieselmotoren, zu erreichen, daß sehr niedrige CO-, CH- und NOx-An­ teile im Abgas vorhanden sind und im weiteren diese Vorteile mit einem nur sehr geringen konstruktiven Aufwand erreicht werden.

Die Lösung der Aufgabe nach der Erfindung besteht darin, daß eine Schichtung in seitlicher Lage, d.h. parallel zur Kolbenmittellinie, erfolgt und das fettere Gemisch sich im Bereich der Zündkerze befin­ det.

Hier wird ein vollkommen neuer Weg beschritten. Es wird jetzt nur im Bereich der Zündkerze in seitlicher Schichtung fetteres Gemisch an­ geordnet, d.h. es ist bezogen auf die gesamte Zylinderfüllung. Es ist möglich mit sehr magerem Gemisch zu arbeiten, wobei die Verbrennung so vollkommen ist, daß außerdem die CO-, CH- und NOx-An­ teile gegenüber bekannten Verfahren weiterhin abgesenkt werden und das bei sehr niedrigem Verbrauch.

Eine weitere Möglichkeit hinsichtlich der erfindungsgemässen Schich­ tung besteht darin, daß zusätzlich zu dieser seitlichen Schichtung eine Schichtung in der Höhe mit Magergemisch am Kolbenboden und fetterem Gemisch im oberen Teil der Zylinderfüllung stattfindet. Weitere Erfindungsmerkmale sind in den Ansprüchen beschrieben.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel beschrieben, das sich auf diese seitliche Schichtung und auch kombiniert auf die zeitlich eingebrachte Schichtung bezieht.

Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf einen Dreiventilmotor, bei dem gegenüber einem Einlaßventil 3 das Auslaßventil 4 ist und gegen­ über dem anderen Einlaßventil 2 sich die Zündkerze befindet.

Folgende Änderungen werden gegenüber dem bekannten Motor vorgenommen:

• 1) Beide Ventile 2, 3 haben eigene getrennte Ansaugrohre 6 und 7. Das Ansaugrohr 7, welches zum Ventil 3 führt, erhält nur reine Brennluft oder sehr mageres Gemisch. Das Ansaugrohr 6, welches zum Ventil 2 führt, erhält über Vergaser oder Einspritzung fettes Gemisch.
• 2) Die Öffnungszeiten beider Ventile sind nicht gleich. Das Ventil 3 wird wie üblich gesteuert mit normalen Öffnungs- und Schließzeiten, etwa 40° vor o.T. bis 50° nach unterem Totpunkt oder schließt etwas eher - Kurve 9. Die Steuerkurve vom Auslaß­ ventil 4 ist mit 8 angeführt.

Das Einlaßventil 2 öffnet später um etwa 50° und schließt wie das andere Einlaßventil - 10.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge­ stellt. Es zeigt:

Fig. 1 den Blick von unten in den Kopf eines Zylinders,

Fig. 2 Kurven der Ventilöffnungszeiten,

Fig. 3 einen Schnitt A-B durch den Zylinderkopf und oberen Teil des Zylinders.

In den Zeichnungen noch weiter dargestellt sind Zylinderkopf 1, Kolbenoberteil 11 und oberer Teil des Zylinders 12.

Die Arbeitsweise ist wie folgt:

Bei Beginn des Ansaugtaktes öffnet zuerst das Einlaßventil 3, durch welches reine Brennluft evtl. mit Zusatz von Auspuffgas oder sehr mageres Gemisch angesaugt wird. Erst später öffnet das Einlaßventil 2, durch welches über einen Vergaser oder Einspritzung fettes Gemisch angesaugt wird.

So erhält der Motor im unteren Teil der Zylinderfüllung reine Brenn­ luft oder sehr mageres Gemisch und später ein Gemisch von Brennluft und Kraftstoff-Luftgemisch. Hinzu kommt, daß auf der Seite des Zylinders, wo sich die Zündkerze 5 befindet, über das Einlaßventil 2 fettes Gemisch einströmt, so daß nicht nur oben in der Zylinderfüllung sondern auch zusätzlich auf der Zündkerzenseite sich fetteres Gemisch befindet als im anderen Teil der Zylinderfüllung.

Es erfolgt also eine Schichtung in seitlicher Lage mit fetterem Gemisch an der Zündkerze und zum anderen Schichtung in der Höhe mit Magergemisch am Kolbenboden und fetterem Gemisch im oberen Teil der Brennkammer, wo sich die Zündkerze befindet.

Durch die nicht exakt getrennte Schichtladung, bei der Fettgemisch und Brennluft in der Zone der Berührung beim Ansaug- und Verdich­ tungsvorgang eine Übergangsdurchmischung erfahren, ist eine ein­ wandfreie Durchbrennung aller Kraftstoffteilchen gewährleistet. Dies bringt bei einem Luftüberschuß, der ohne Schichtladung nicht zünd­ fähig wäre, sehr niedrigen Verbrauch bei sehr geringen CO-, CH- und NOx-Anteilen. Es kann mit einer Gesamtmischungszusammensetzung von Lambda 1,5 und mehr gefahren werden, wobei im Bereich der Zündkerze sich ein gut zündfähiges Gemisch von Lambda 0,8-1 befindet.

Erfindungsgemäss wird noch eine Vorrichtung zur Ausübung des Ver­ fahrens vorgeschlagen, die sich erfindungswesentlich von der in den Fig. 1 und 3 gezeigten Vorrichtung unterscheidet. Diese Erfindung besteht darin, daß der Kolben 11 auf der Seite des Einlaßventils 2 eine schräg ansteigende Nase erhält, die an der Kammlinie 15 eine bogenförmige Umlenkung 14 nach unten erhält, die in die ebene 16 oder bogenförmige 18 Kolbenoberfläche einmündet.

Nach der Ausführung ist es auch weiterhin wesentlich, daß in dem Brennkammerteil unterhalb der Zündkerze eine Rotation des Gemisches erfolgt (oder erzeugt wird).

Diese erfindungsgemässe andere Vorrichtung ist in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Dabei zeigt

Fig. 4 den Blick von unten in den Zylinderkopf einer anderen Ausführung mit gestrichelt eingezeichneter Kolbennase ,

Fig. 5 einen Schnitt C-D durch den Zylinderkopf und oberen Teil des Zylinders der anderen Ausführung.

Durch diese Maßnahme wird eine wesentliche Verbesserung im Ablauf der Zündung und beim Durchbrennen des gezündeten Gemisches erreicht.

Auf der Seite, auf der das fettere Gemisch durch das Ventil 2 einströmt, erhält der Kolben 11 eine Schräge 13 nach oben, die an der Kammlinie 15 eine bogenförmige Umlenkung 14 nach unten erhält und in die ebene Kolbenoberfläche 16 einmündet. Diese Kolbennase ist nur an dem Teil angebracht, an dem sich im oberen Totpunkt darüber das Einlaßventil 2 befindet.

Das fettere Gemisch wird nun beim Verdichtungstakt im oberen Teil des Kolbenwegs zwischen der Kolbenschräge 13 und dem Zylinderkopf 1 bzw. Ventil 2 direkt zur Zündkerze 5 geführt, wo eine einwandfreie Zündung erfolgt, da dieser Teil des Gemisches eine Zusammensetzung von etwa Lambda 1 hat. Dieses sicher gezündete Gemisch erfährt eine Rotation, wie gestrichelt 17 gezeigt wird.

Dies führt zu einem schnelleren Ablauf der Verbrennung, da dieses rotierende, brennende Gemisch den Brennvorgang auch schneller in den seitlichen anderen Teil des mageren Gemisches überträgt, wo diese Rotation nicht stattfindet.

Durch den schnelleren Ablauf der Verbrennung kann der Zündzeitpunkt weiter zurückgesetzt werden , was zusätzlich bessere CH- und NOx-Werte bringt.

Claims (11)

1. Verfahren zur Einbringung einer Schichtladung bei Ottomotoren, bei dem eine fettere und eine magere Schicht sich in der Brennkammer befin­ det, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schichtung in seitlicher Lage, d.h. parallel zur Kolbenmittellinie, erfolgt und das fettere Gemisch sich im Bereich der Zündkerze befindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Schichtung in seitlicher Lage, d.h. parallel zur Kol­ benmittellinie, erfolgt, und das fettere Gemisch sich im Bereich in der Höhe mit Magergemisch am Kolbenboden und fettem Gemisch im oberen Teil der Zylinderfüllung stattfindet.

3. Verfahren zur Einbringung einer Schichtladung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stufen-Schichtladung vorgenommen wird, mit zeitlicher Trennung des Ansaugbeginns von Brennluft oder magerem Gemisch und Fettgemisch sowie örtlicher Trennung der Gasströme durch Ansaugen über zwei Ventile (6 und 7), wobei ein Ventil (3) reine Brennluft oder Mager­ gemisch und über das andere Ventil (2) Fettgemisch angesaugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in den Zylindern (12) beim Ansaugen unten an der Kolbenoberfläche (11) reine Brennluft oder Magergemisch angesaugt und gelagert wird, danach ein Gemisch von Brennluft und Fettgemisch und oben in den Zylinderkopf (1) durch den Ansaugvor­ gang fetteres Gemisch auf der Seite, wo sich die Zündkerze (5) befindet, eingebracht und gelagert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß über das Ventil (3) nicht nur Brennluft oder Magergemisch, sondern auch ein Teil Auspuffgas angesaugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (3) für Brennluft oder Magergemisch wie ansich bekannt gesteuert wird mit den normalen Öffnungszeiten, jedoch das Ventil (2) später um etwa 50° öffnet und zum selben Kurbelwinkel oder etwas später schließt als das Ventil (3).

7. Verfahren nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (3) eher schließt als das Ventil (2) , z.B. bereits im unteren Totpunkt.

8. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich gegenüber dem Ventil (2) die Zündkerze (5) befindet.

9. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich gegenüber dem Einlaßventil (3) das Auslaßventil (4) befindet.

10. Vorrichtung zur Ausübung eines Verfahrens zur Einbringung einer Schichtladung bei Ottomotoren, bei dem eine fette und eine magere Schicht sich in der Brennkammer befindet und eine Schichtung in seitlicher Lage, d.h. parallel zur Kolbenmittellinie, erfolgt, das fettere Gemisch sich im Bereich der Zündkerze befindet, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (11) auf der Seite des Einlaßventils (2) eine schräg ansteigende Nase er­ hält, die an der Kammlinie (15) eine bogenförmige Umlenkung (14) nach unten erhält, die in die ebene (16) oder bogenförmige (18) Kolbenoberfläche einmündet.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Brennkammerteil unterhalb der Zündkerze eine Rotation des Gemisches erfolgt (oder erzeugt wird).