WO2005111393A1 - Hochverdichtender ottoverbrennungsmotor mit drosselregelung; fremdzündung und kraftstoffdirekteinspritzung in eine vorbrennkammer - Google Patents

Hochverdichtender ottoverbrennungsmotor mit drosselregelung; fremdzündung und kraftstoffdirekteinspritzung in eine vorbrennkammer Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to an Otto internal combustion engine according to the preamble of patent claim 1.
  • the currently built and offered Otto internal combustion engines have compared to the diesel engine, a relatively low compression and therefore a higher fuel consumption, especially in part-load operation.
  • the diesel engine on the other hand, requires a relatively heavier and heavier construction due to its high peak pressure, usually runs louder and rougher, generates more nitrogen oxides, but above all the harmful soot particles.
  • an Otto internal combustion engine At idle, for example, an Otto internal combustion engine only has a filling of about 20 to 25 percent.
  • a disadvantage of the diesel engine is, however, that he must make high compression work because of the high compression almost the entire cylinder filling. It is therefore known to those skilled in the art that an Otto internal combustion engine operated in the partial load range with similarly high compression ratios as a diesel engine would be superior to the latter because of the lower compression work.
  • the combustion method according to the invention for gasoline internal combustion engines according to the invention described below is intended to combine the advantages of the Otto combustion process with those of the diesel engine (high compression) and yet manage the risk of spontaneous combustion.
  • the inventive Otto internal combustion engine outside of the main combustion chamber which is the space between the piston head and cylinder head in Hübieb engine, arranged in the cylinder head and connected to the main combustion chamber through an overflow pre-combustion chamber, in which the fuel injected directly during the compression stroke and from a also arranged in this pre-combustion chamber spark plug is ignited.
  • This pre-combustion chamber is as compact as possible - spherical or strichkugelf ⁇ rmig - trained so that the focal length and burn-through time are as short as possible; For the same reason, the spark plug should be arranged as centrally as possible. Since this pre-combustion chamber becomes relatively hot despite good cooling in operation, the injected fuel jet, sliding along the inner wall of the pre-combustion chamber, this cool and thereby evaporate the fuel and then ignited at the optimal time, relatively close to top dead center (TDC). The combustion is due to the short combustion paths very quickly, which is a largely Complete combustion with high thermal efficiency results.
  • TDC top dead center
  • the Otto engine according to the invention can only be operated as a so-called throttle motor;
  • the following injection control is arranged: Even from the upper part load range, so if the risk of auto-ignition is to be feared, only a part (about two-thirds) of the fuel required for full combustion in the pre-combustion chamber.
  • the gasoline engine according to the invention is a high-performance engine with very low partial load consumption.
  • the residual air in the main combustion chamber acts as an afterburner, which is why a separate catalytic converter should be unnecessary.
  • a relatively simple variant of the Otto combustion engine according to the invention could be such that the pre-combustion chamber is arranged between inlet valve and main combustion chamber and is separated from the latter by a circumferential bead so far that no unburned fuel enters the main combustion chamber.
  • the pre-combustion chamber is automatically purged and filled with fresh air during the intake stroke.
  • the Wankel rotary piston engine is particularly suitable for the above-described combustion method according to the invention because, as is known, it requires only one combustion chamber for three pistons in a disk. From this rotary engine were previously known: its excessive fuel consumption, its poor running culture (two-stroke in the lower part load range) and its far too high exhaust gas temperatures. All these disadvantages are overcome by the combustion process according to the invention: The combustion is substantially improved by the compact pre-combustion chamber, which is located outside the so-called trochoid and is connected to the main combustion chamber through the overflow channel; Fuel losses via the so-called. Leakage gases omitted because in the main combustion chamber no unburned fuel. The leak gases contain only air or already burned exhaust gases.
  • the overflow channel opens at the trochoid in the area of Ignition TDC or later in direction of rotation to better rinse the pre-combustion chamber; This is further improved if the overflow channel receives an overflow channel axis extending, arranged transversely to the direction of rotation intermediate wall: Then the pressure in the trailing piston combustion chamber first presses air in the pre-combustion chamber, thereby driving the exhaust gas in the leading piston combustion chamber and then fills only the pre-combustion chamber with fresh air during the further compression stroke. Again, you could improve the flushing by own fresh air injection. All these measures result in a clean gas exchange, thus a round engine, lower fuel consumption and normal exhaust gas temperatures.
  • FIG. 1 shows a cylinder of a reciprocating piston engine according to the invention
  • Figure 2 shows a rotary piston engine according to the invention
  • Figures 3 and 4 a cylinder of a reciprocating engine according to claim 7 in up and

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Abstract

Ottoverbrennungsmotor mit hohem konstruktiven Verdichtungsverhältnis von grösser 15 : 1, Drosselregelung, Fremdzündung und einer Kraftstoffdirekteinspritzung in eine Vorbrennkammer (5), die durch einen Überströmkanal (6) mit dem Hauptbrennraum (15) verbunden ist, wobei der Kraftstoff während des Verdichtungshubes in die Vorbrennkammer (5) eingespritzt und durch eine dort möglichst zentral angeordnete Zündkerze (8) entzündet wird.

Description

Hochverdichtender Ottoverbrennungsmotor mit Drosselregelung, Fremdzündung und Kraftstoffdirekteinspritzung in eine Vorbrennkammer
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Ottoverbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die derzeit gebauten und angebotenen Ottoverbrennungsmotoren haben im Vergleich zum Dieselmotor eine relativ niedrige Verdichtung und deshalb einen höheren Kraftstoffverbrauch, besonders im Teillastbetrieb. Der Dieselmotor dagegen benötigt wegen seines hohen Spitzendrucks eine relativ stärkere und schwerere Bauweise, läuft in der Regel lauter und rauher, erzeugt mehr Stickoxide, vor allem aber die gesundheitsschädlichen Rußpartikel.
Der höhere Teillastverbrauch des Ottoverbrennungsmotors wirkt sich hauptsächlich im Teillastbetrieb aus, was im Alltagsbetrieb deshalb sehr negativ ist, weil unsere Automobile wegen des dichten Straßenverkehrs fast nur noch im Teillastbereich betrieben werden können.
Zur Absenkung des Kraftstoffverbrauchs beim Ottoverbrennungsmotor wurden bisher verschiedene Maßnahmen bekannt: Verbesserung der Verbrennung durch Drall und Verwirbelung des Kraftstoffluftgemisches, Gemischabmagerung, Ladungsschichtung, Mehrfachzündung u.a.. Beim Dieselmotor suchte man Verbesserungen durch Kraftstoffdirekteinspritzung in Vor- und Nebenbrennkammern, gelenkten Einspritzstrahl u.v.a. mehr. Alle bekannt gewordenen Maßnahmen haben aber, besonders beim Ottoverbrennungsmotor, keine wesentliche Absenkung des Kraftstoffverbrauchs erbracht.
Um beim Ottoverbrennungsmotor den Kraftstoffverbrauch, vor allem im Teillastbereich, spürbar abzusenken, muß das Verdichtungsverhältnis wirksam angehoben werden, weil nur damit der thermische Wirkungsgrad spürbar ansteigt. Derzeitige Ottoverbrennungsmotoren arbeiten bekanntlich mit konstruktiven Verdichtungsverhältnissen von ca. ε = 10 : 1. Wird dieser Wert wesentlich überschritten, dann ergibt sich im Vollastbetrieb die Gefahr einer Selbstentzündung mit klingelnder oder gar klopfender Verbrennung, was bekanntlich einen drastischen Abfall von Drehmoment und Leistung, ja sogar eine Zerstörung des Verbrennungsmotors zur Folge haben kann. Dieselmotoren arbeiten mit konstruktiven Verdichtungsverhältnissen von ε = 18 bis 25 : 1 und dies auch im Teillastbereich, weil der Dieselmotor im Gegensatz zum Ottomotor in jedem Lastzustand fast die volle Zylinderfüllung verdichten muß, um die notwendige Selbstentzündungstemperatur zu erreichen. Damit arbeitet er, besonders im Teillastbetrieb, mit einem wesentlich höheren thermischen Wirkungsgrad als der Ottoverbrennungsmotor, der wegen seiner Drosselregelung nur jeweils eine Teilfüllung verdichtet und damit teilweise bei sehr niedrigen effektiven Verdichtungsverhältnissen von wenger als ε = 3 : 1 arbeitet. Bei Leerlauf etwa hat ein Ottoverbrennungsmotor nur eine Füllung von ca. 20 bis 25 Prozent.
Ein Nachteil des Dieselmotors ist dabei aber doch, daß er wegen der hohen Verdichtung fast der ganzen Zylinderfüllung auch hohe Verdichtungsarbeit leisten muß. In Fachkreisen ist deshalb bekannt, daß ein Ottoverbrennungsmotor, der im Teillastbereich mit ähnlich hohen Verdichtungsverhältnissen wie ein Dieselmotor betrieben würde, letzterem wegen der geringeren Verdichtungsarbeit überlegen wäre.
Das nachfolgend beschriebene, erfindungsgemäße Verbrennungsverfahren für Ottoverbrennungsmotoren soll die Vorteile des Ottoverbrennungsverfährens mit denen des Dieselmotors (hohe Verdichtung) verbinden und doch die Gefahr einer Selbstentzündung beherrschen. Der erfindungsgemäße Ottoverbrennungsmotor habe dafür ein konstruktives Verdichtungsverhältnis von ε = 15 bis 25 : 1 und erreicht damit im Teillastbereich einen entsprechend niedrigen Kraftstoffverbrauch. Um das zu ermöglichen, hat der erfindungsgemäße Ottoverbrennungsmotor außerhalb des Hauptbrennraumes, das ist der Raum zwischen Kolbenboden und Zylinderkopf beim Hübkolbenmotor, eine im Zylinderkopf angeordnete und mit dem Hauptbrennraum durch einen Überströmkanal verbundene Vorbrennkammer, in die der Kraftstoff während des Verdichtungshubes direkt eingespritzt und von einer ebenfalls in dieser Vorbrennkammer angeordneten Zündkerze entzündet wird. Diese Vorbrennkammer sei möglichst kompakt - kugel- oder halbkugelfδrmig - ausgebildet, damit Brennweg und Durchbrennzeit möglichst kurz werden; aus demselben Grund sei die Zündkerze möglichst mittig angeordnet. Da diese Vorbrennkammer trotz guter Kühlung im Betrieb relativ heiß wird, soll der eingespritzte Kraftstoffstrahl, an der Innenwand der Vorbrennkammer entlang gleitend, diese kühlen und dabei den Kraftstoff verdampfen und dann zum optimalen Zeitpunkt, relativ nahe beim oberen Totpunkt (OT) entzündet zu werden. Die Verbrennung läuft wegen der kurzen Brennwege sehr schnell ab, was eine weitgehend vollständige Verbrennung bei hohem thermischen Wirkungsgrad ergibt. In dieser Ausführung kann der erfindungsgemäße Ottoverbrennungsmotor nur als sogenannter Drosselmotor betrieben werden; dafür muß die Öffnung der Drosselklappe so weit begrenzt werden, daß noch keine Selbstentzündung erfolgen kann. Man verschenkt damit zunächst hohe Spitzenwerte an Drehmoment und Leistung, bekommt dafür aber einen sehr sparsamen Drosselmotor, der in Leistung und Drehmoment dem des Ausgangsmotors mit einer Verdichtung von ε = 10 : 1 durchaus ebenbürtig ist, weil der erfindungsgemäße Ottoverbrennungsmotor mit einem viel höheren Verdichtungsverhältnis arbeitet.
Um beim erfindungsgemäßen Ottoverbrennungsmotor einen echten Vollastbetrieb zu ermöglichen, wird folgende Einspritzsteuerung angeordnet: Schon ab oberem Teillastbereich, wenn also die Gefahr einer Selbstentzündung zu befürchten ist, wird in die Vorbrennkammer nur ein Teil (ca. zwei Drittel) des für die volle Verbrennung benötigten Kraftstoffes eingespritzt, wodurch das damit entstehende Kraftstoffluftgemisch (Benzin-Luftgemisch) zunächst nicht zündfahig ist Bekanntlich ist ein Kraftstoffluftgemisch bei Verwendung von Benzin als Kraftstoff nur in relativ engen Mischungsverhältnissen überhaupt zündfahig, und zwar etwa im Bereich von α = 0,5 bis 1,2; dabei entspricht ein α = 1, 0 dem stöchio- metrischen Luft-KraftstoffVerhältnis. Um das in der Vorbrennkammer vorgemischte Kraftstoffluftgemisch zündfähig zu bekommen, spritzt man kurz vor dem aus dem Teillastbereich bekannten, optimalen Zündzeitpunkt den Rest des benötigten Kraftstoffes (ca. ein Drittel) nach und erreicht so die Zündfahigkeit. Diese Nachspritzung kann aus ein und derselben Einspritzdüse erfolgen. Sie kann aber auch aus einer zweiten Einspritzdüse so erfolgen, daß der zweite Kraftstoffstrahl in Richtung der Überströmkanalachse verläuft und so die Flamme besser in den Hauptbrennraum getragen wird. Die eigentliche Verbrennung in der Vorbrennkammer verläuft so schnell, daß dort eine klopfende Verbrennung kaum entstehen kann, zumal die von der Zündung ausgehende Druckwelle sich über den Überströmkanal zunächst entspannen kann; im Hauptbrennraum selbst kann keine Selbstentzündung entstehen, weil sich dort nur verdichtete Luft ohne Kraftstoff befindet.
Damit kann man auch einen echten Vollastbetrieb des erfindungsgemäßen Ottoverbrennungsmotors beherrschen. Allerdings wird ein derartiger Ottoverbrennungsmotor wegen seines hohen Verdichtungsverhältnisses relativ hohe Werte in Drehmoment und Leistung erreichen und deshalb eine mechanische Verstärkung benötigen. In der zuletzt beschriebenen Ausführung ist der erfindungsgemäß Ottoverbrennungsmotor ein Hochleistungsmotor mit sehr niedrigem Teillastverbrauch. Dabei wirkt die Restluft im Hauptbrennraum wie eine Nachverbrennung, weshalb sich ein eigener Katalysator erübrigen dürfte.
Um auch noch die letzten Leistungsreserven aus dem erfindungsgemäßen Ottoverbrennungsmotor herauszuholen, kann man die im Hauptbrennraum noch vorhandene Restluft mit einer Kraftstoffeinspritzung versehen und durch eine zweite Zündkerze entzünden. Dann aber benötigt man wieder einen eigenen Katalysator zur Erreichung ausreichender Abgaswerte.
Um die Verbrennung im erfindungsgemäßen Ottoverbrennungsmotor noch effektiver zu machen, kann man durch eine Lufteinblasung in die Vorbrennkammer gegen Ende des Auslaßhubes die Vorbrennkammer vom restlichen Abgas reinigen und mit Frischluft füllen.
Eine relativ einfache Variante des erfindungsgemäßen Ottoverbrennungsmotors könnte so aussehen, daß die Vorbrennkammer zwischen Einlaßventil und Hauptbrennraum angeordnet wird und von letzterem durch eine umlaufende Wulst soweit abgetrennt wird, daß kein unverbrannter Kraftstoff in den Hauptbrennraum gelangt. In dieser Version wird die Vorbrennkammer während des Ansaugtaktes automatisch mit Frischluft gespült und befüllt.
Besonders geeignet für das vorstehend beschriebene, erfindungsgemäße Verbrennungsverfahren ist der Wankel-Kreiskolbenmotor, weil er bekanntlich für drei Kolben in einer Scheibe nur einen Verbrennungsraum benötigt. Von diesem Kreiskolbenmotor waren bisher bekannt: sein überhöhter Kraftstoffverbrauch, seine schlechte Laufkultur (Zweitaktern im unteren Teillastbereich) und seine viel zu hohen Abgastemperaturen. All diese Nachteile werden durch das erfindungsgemäße Verbrennungsverfahren überwunden: Durch die kompakte Vorbrennkammer, welche sich hier außerhalb der sogenannten Trochoide befindet und mit dem Hauptbrennraum durch den Überströmkanal verbunden ist, wird die Verbrennung wesentlich verbessert; Kraftstoffverluste über die sog. Leckgase entfallen, weil in den Hauptbrennraum kein unverbrannter Kraftstoff gelangt. Die Leckgase enthalten nur Luft oder bereits verbrannte Abgase. Wegen der Vorbrennkammer entfallen auch die bisher notwendigen Brennmulden in den Kolbenöberflächen; damit entfallen im sogenannten Überschneidungs-OT, auch beim günstigeren Umfangs- Ein- und Auslaß, die bisher üblichen Kurzschlußverluste. Der Überströmkanal mündet dabei an der Trochoide im Bereich des Zünd-OT oder in Drehrichtung später, um die Vorbrennkammer besser zu spülen; dies wird weiter verbessert, wenn der Überströmkanal eine in Überströmkanalachse verlaufende, quer zur Drehrichtung angeordnete Zwischenwandung erhält: Dann nämlich drückt der Überdruck im nacheilenden Kolbenbrennraum zunächst Luft in die Vorbrennkammer, treibt dabei das Abgas in den vorauseilenden Kolbenbrennraum und füllt dann erst die Vorbrennkammer mit Frischluft während des weiteren Verdichtungshubes. Auch hier könnte man die Spülung durch eine eigene Frischlufteinblasung verbessern. All diese Maßnahmen ergeben einen sauberen Gaswechsel, damit einen runden Motorlauf, einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch und normale Abgastemperaturen.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
Figur 1 einen Zylinder eines erfindungsgemäßen Hubkolbenmotors,
Figur 2 einen erfindungsgemäßen Kreiskolbenmotor und
Figuren 3 und 4 einen Zylinder eines Hubkolbenmotors nach Anspruch 7 in Auf- und
Grundriss, bei welchem die Vorbrennkammer zwischen Einlaßventil und Hauptbrennraum angeordnet ist.
Die eingetragenen Ziffern bezeichnen in allen Figuren gleiche Teile, und zwar:
1 den Kolben,
2 die Zylinderwandung bzw. Trochoide,
3 den Zylinderkopf, 4 das Auslaßventil, 5 die Vorbrennkammer, 6 den Uberstromkanal, 7 die Haupteinspritzdüse, 8 die Zündkerze, 9 die zweite Einspritzdüse, 10 den Einlaßkanal, 11 den Auslaßkanal, 12 das Einlaßventil,
13 die Zwischenwand im Überströmkanal eines Kreiskolbenmotors,
14 die umlaufende Wulst,
15 den Hauptbrennraum, den Zünd-OT, den Überschneidungs-OT beim Kreiskolbenmotor.

Claims

Patentansprüche
1. Ottoverbrennungsmotor mit hohem konstruktiven Verdichtungsverhältnis von ε größer 15 : 1, Drosselregelung, Fremdzündung und einer Kraftstoffdirekteinspritzung in eine Vorbrennkammer (5), die durch einen Überströmkanal (6) mit dem Hauptbrennraum (15) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff während des Verdichtungshubes in die Vorbrennkammer (5) eingespritzt und durch eine dort möglichst zentral angeordnete Zündkerze (8) entzündet wird.
2. Ottoverbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser so gedrosselt wird, daß es zu keiner unkontrollierten Selbstentzündung kommt.
3. Ottoverbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eingespritzte Kraftstoffstrahl an der Innenseite der Vorbrennkammer entlang rechtwinklig zur Achse des Überströmkanals geführt wird.
4. Ottoverbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Teillast- und Vollastbereich zunächst nur ein Teil (ca. 2/3) des für die volle Verbrennung notwendigen Kraftstoffes eingespritzt wird und der zweite Teil der Einspritzmenge (ca. 1/3) erst kurz vor dem optimalen Zündzeitpunkt nachgespritzt wird.
5. Ottoverbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite, kleinere Teil der eingespritzten Kraftstoffrnenge über eine zweite Einspritzdüse (9) erfolgt und deren Strahl in Achsrichtung des Überströmkanals (6) verläuft.
6. Ottoverbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die Vorbrennkammer (5) gegen Ende des Auslaßhubes zusätzlich Frischluft eingeblasen wird.
7. Ottoverbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbrennkammer (5) zwischen Einlaßventil (12) und Hauptbrennraum (15) angeordnet ist und diese vom Hauptbrennraum durch eine umlaufende Wulst (14) teilweise abgetrennt ist.
8. Ottoverbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die o.a. Ansprüche auch für Verbrennungsmotoren anderer Bauarten, insbesondere für den Kreiskolbenmotor gelten, der Kolben (1) des Kreiskolbenmotors dann keine Brennmulde hat, die Vorbrennkammer (5) außerhalb der Trochoide (entspricht der Zylinderwandung (2) beim Kolbenmotor) angeordnet und durch einen Uberstromkanal (6) mit dem Hauptbrennraum (15) verbunden ist, wobei der Überströmkanal (6) an der Trochoide im Bereich des sogenannten Zünd-OT (16) oder in Drehrichtung später mündet.
9. Ottoverbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Kraftstoffmenge in den Hauptbrennraum (15) eingespritzt und dort von einer zweiten Zündkerze entzündet wird.
10. Ottoverbrennungsmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Überströmkanal (6) des Kreiskolbenmotors eine in Überströmkanalachse verlaufende, quer zur Drehrichtung angeordnete Zwischenwand (13) befindet.
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