DE1091378B

DE1091378B - Regelverfahren fuer eine gemischverdichtende Viertakt-Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE1091378B
Application number: DEB22427A
Authority: DE
Inventors: Neil Otto Broderson
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1952-10-13
Filing date: 1952-10-13
Publication date: 1960-10-20

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft ein Regelverfahren für eine gemischverdichtende Viertakt-Brennkraftmaschine mit Zeitpunktfremdzündung mit einem Hauptbrennraum und einer damit über eine Verengung verbundenen die Zündkerze enthaltenden Hilfsbrennkammer, deren Volumen kleiner oder zumindest nicht wesentlich größer als dasjenige des Hauptbrennraumes bei oberer Totpunktstellung des Kolbens ist, wobei über den gesamten Lastbereich die in den Zylinder eingebrachte Verbrennungsluftmenge etwa konstant bleibt und lediglich eine Änderung der Kraftstoffmenge erfolgt, ferner' zumindest ein Teil der Kraftstoffmenge während des Verdichtungshubes in die Hilfsbrennkammer eingespritzt wird, alles derart, daß im gesamten Lastbereich stets ein zündbares Gemisch in der Hilfsbrennkammer vorhanden ist und das Gemisch in der Hauptbrennkammer mit abnehmender Belastung ärmer wird.

Das Regelverfahren nach der Erfindung arbeitet in der Weise, daß bei einer Maschine mit Einbringung zumindest eines Teiles der Verbrennungsluft oder eines Kraftstoff-Luft-Gemisches über die Hilfsbrennkammer das im ganzen Lastbereich zündbare Gemisch in dieser Kammer dadurch erreicht wird, daß die Kraftstoffeinspritzung in die Hilfskammer bezüglich Einspritzmenge und/oder Aufteilung des Einspritzbogens im Kurbeldiagramm auf Ansaug- und Verdichtungstakt entsprechend geändert wird.

Der Unterschied des Verfahrens nach der Erfindung gegenüber einem früher vorgeschlagenen Verfahren liegt in der Art der Regelung der Kraftstoffmenge. Gemäß der Erfindung wird die Kraftstoffeinspritzung in die Hilfsbrennkammer geändert, während bei dem älteren Verfahren die unmittelbar in den Hauptbrennraum eingebrachte: Kraftstoffmenge verändert wird. Dabei bleibt bei dem älteren Verfahren die in die Vorkammer eingespritzte Menge im ganzen Lastbereich konstant, da ja auch die in die Hilfsbrennkammer eingebrachte Luftmenge stets dieselbe ist und daher im ganzen Regelbereich ein gleiches zündfähiges Gemisch in der Vorkammer vorhanden ist. Durch das Verfahren nach der Erfindung wird der Vorteil erzielt, daß bei Teillast eine gößere Menge an Brennstoff erspart bleibt, als dies bei bekannten Verfahren möglich ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung wird die gesamte Verbrennungsluftmenge über die Hilfsbrennkammer eingebracht und die Lage des Einspritzbogens im Kurbeldiagramm derart geändert, daß mit abnehmender Last der im Verdichtungstakt liegende Bogenteil größer und der im Ansaugtakt liegende Bogenteil kleiner wird. Dies wird unten an Hand der Beispiele 1 bis 5 und der Fig. 1 bis 3 noch näher erläutert.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird mit Regelverfahren
für eine gemis diver dichtende
Viertakt-Brennkraftmaschine

Anmelder:

Neil Otto Broderson,
Rochester, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr. W. Germershausen, Patentanwalt,
Frankfurt/M., Neue Mainzer Str. 49/51

Neil Otto Broderson, Rochester, N. Y. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

Ausnahme desjenigen Lastbereiches, der weniger als die doppelte Leerlauf-Kraftstoffmenge erfordert, die Hälfte der Kraftstoffmenge während des Verdichtungstaktes in die Hilfsbrennkammer eingespritzt wird und die andere Hälfte während des Ansaugtaktes in den Hilfsbrennraum eingespritzt oder als Kraftstoff-Luft-Gemisch in die Verbrennungsräume eingebracht wird. Auch dies wird unten an Hand der Beispiele 6 bis 8 und der Fig. 4 und 5 näher beschrieben.

Für eine Brennkraftmaschine, bei welcher ein Teil des Kraftstoffes mit der Verbrennungsluft gemischt in mit steigender Motorbelastung zunehmender Menge in die Verbrennungsräume eingebracht wird und der in die Hilfsbrennkammer eingespritzte Kraftstoffanteil vollständig während des Verdichtungstaktes einger spritzt wird, ändert man gemäß dem Verfahren nach der Erfindung die Einspritzmenge und die mit der Luft eingebrachte Kraftstoffmenge derart, daß mit abnehmender Last der prozentuale Anteil der Einspritzmenge an der Gesamtmenge stärker ansteigt als dies bei konstanter Einspritzmenge der Fall wäre. Dies wird an Hand der Beispiele 9 bis 11 unten noch näher erläutert.

Für eine Brennkraftmaschine, bei welcher ein Teil des Kraftstoffs mit der Verbrennungsluft gemischt in mit steigender Motorbelastung zunehmender Menge in die Verbrennungsräume eingebracht wird und die in die Hilfsbrennkammer eingespritzte Kraftstoffmenge im ganzen Lastbereich konstant ist, wird gemäß dem Verfahren nach der Erfindung die Lage des Einspritzbogens im Kurbeldiagramm derart geändert, daß mit abnehmender Last der im Verdichtungstakt liegende

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Bogenteil größer und der im Ansaugtakt liegende Bogenteil kleiner wird. Dies wird unten an Hand der Beispiele 12 bis 14 näher beschrieben.

Zur Erfindung gehört außerdem auch eine Brennkraftmaschine zur Durchführung des oben beschriebenen Regelverfahrens mit dem Kennzeichen, daß das Volumen der Hilfsbrennkammer 10 bis 50% des Volumens des gesamten Verbrennungsraumes bei oberer Totpunktstellung des Kolbens ist.

Das Regelverfahren sowie die Brennkraftmaschine nach der Erfindung werden an Hand der Zeichnung wie folgt näher erläutert. In der Zeichnung ist

Fig. 1 ein Schnitt durch die Verbrennungsräume der Brennkraftmaschine nach der Linie 1-1 von Fig. 2, in Richtung der Pfeile gesehen,

Fig. 2 ein Schnitt nach der Linie 2-2 der Fig. 1,

Fig. 3 ein Diagramm der Arbeitsweise eines Viertaktmotors gemäß der Erfindung,

Fig. 4 ein Schnitt durch eine Brennkraftmaschine mit anderer Ausbildung der Verbrennungsräume,

Fig. 5 ein Diagramm, das das Verhältnis von Brennstoffzufuhr zur Kolbenstellung bei einer bezeichnenden beispielsweisen Ausführungsform der Erfindung darstellt, und

Fig. 6 ein das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Hauptbrennraum, im Hilfsbrennraum und im gesamten Brennraum zeigendes Diagramm mit Angabe des zum Klopfen neigenden Bereiches.

In den Fig. 1 und 2 stellt 1 die den Zylinder bildenden Wände dar, in dem der hin und her gehende Kolben 2 einer Viertakt-Verbrennungskraftmaschine untergebracht ist. Die Bezugsnummer 3 zeigt eine abgesetzte Wand, die zusammen mit dem Zylinderkopf 4 einen Hilfsverbrennungsraum 5 bildet. Der Hauptverbrennungsraum 6 liegt über Kolben 2. Ein Einlaßventil 7 ist für den Zutritt von Luft oder einem Gemisch von Luft und Brennstoff während des Ansaughubes des Kolbens vorgesehen, und dieses Ventil ist zeitlich so zu betätigen, wie bei Viertaktmotoren üblich. Das Auspuffventil 8 liegt im Zylinderkopf über dem Kolben und arbeitet auch wie üblich, um den Austritt der Verbrennungsprodukte beim Auspufftakt zu gestatten. Eine Zündvorrichtung 9 befindet sich in der Seitenwand 3 und erstreckt sich in den Hilfsverbrennungsraum, um das darin befindliche Brennstoff-Luft-Gemisch zwischen dem Verdichtungstakt und dem Arbeitstakt, wenn der Kolben am oder in der Nähe des oberen Totpunktes ist, zu zünden. Die zeitliche Folge der Zündung wird in der üblichen Weise eingestellt. Eine Einspritzdüse 10 dient dazu, den Brennstoff oder ein fettes Gemisch von Brennstoff und Luft in den Hilfsverbrennungsraum 5 einzuspritzen oder darin zu versprühen. Eine Brennstoffpumpe (nicht dargestellt) liefert abgemessene und veränderliche Brennstoffmengen und spritzt diese in bestimmten Zeitabständen durch die Düse in den Hilfsverbrennungsraum ein. Die eingespritzte Brennstoffmenge und der Zeitraum der Einspritzung sind einstellbare Veränderliche, wie in folgendem eingehender erläutert wird.

Während des Betriebes wird Luft oder ein Gemisch von Luft und Brennstoff beim Ansaugtakt durch das Einlaßventil 7 in den Verbrennungsraum gesaugt. Diese Luft wird für den Betrieb bei niedriger Arbeitsleistung nicht gedrosselt, sondern für alle Betriebsbedingungen ungedrosselt angesaugt.

Zumindest ein Teil des verwendeten Brennstoffes wird durch Düse 10 in den Hilfsverbrennungsraum 5 eingespritzt. Ein wesentliches Kennzeichen der Erfindung ist die zeitliche Einstellung des Zeitraumes für die Einspritzung des Brennstoffes sowie die entsprechend der vom Motor geforderten Arbeitsleistung eingespritzte Brennstoffmenge.

Die Brennstoffeinspritzdüse muß nicht die dargestellte Stellung aufweisen, wenn sie nur so liegt, daß der Brennstoff in den Hilfsverbrennungsraum eingespritzt wird. So kann sie z. B. an der halsförmig verengten Verbindungsstelle des Hauptverbrennungsraumes und des Hilfsverbrennungsraumes liegen oder

ίο in der Seitenwand des Hauptverbrennungsraumes mit Richtung auf den Hilfsverbrennungsraum.

Fig. 3 stellt graphisch dar, wie ein Viertaktmotor gemäß der Erfindung betrieben wird. Die Kurve ist sinusförmig und zeigt die Stellung des Kolbens in bezug auf das Schwungrad. Auf der Kurve sind der Zeitpunkt der Zündung und die verschiedenen Zeiträume der Brennstoffeinspritzung angegeben.

Wird geringe Arbeitsleistung gefordert, wie bei Leerlauf des Motors, ist sehr wenig Brennstoff erforderlich. Unter diesen Bedingungen kann der gesamte Brennstoff während des Verdichtungstaktes in den Hilfsverbrennungsraum eingespritzt werden. So kann z. B. die Brennstoffeinspritzung an irgendeinem Punkt I begonnen und an irgendeinem Punkt Y beendet werden. Der gesamte so eingespritzte Brennstoff bleibt im wesentlichen infolge des Einströmens der Luft aus dem Hauptverbremiungsraum im Hilfsverbrennungsraum. Die Menge an eingespritztem Brennstoff wird derart eingestellt, daß zum Zeitpunkt der Zündung ein leicht brennbares Gemisch sich neben der Zündstelle befindet. Der Hauptverbrennungsraum enthält im wesentlichen nur Luft. Durch diese Betriebsweise ist es möglich, ein zündfähiges brennbares Gemisch im Zündmoment, wenn der Funken überspringt, zu haben. Diese Mischung reicht aus, um den Motor im Leerlauf zu halten. Die gesamte Brennstoffladung ist bedeutend geringer, als erforderlich wäre, wenn der Brennstoff vor der Einführung in den Zylinder mit der Luft gemischt würde.

Der mittlere Zeitpunkt der Brennstoffeinspritzung kann als der Punkt des Taktes festgesetzt werden, an dem die Hälfte des Brennstoffes in den Verbrennungsraum eingespritzt worden ist. In bezug auf den zwischen I und I' eingespritzten Brennstoff kann er durch einen Punkt M in Fig. 3 dargestellt werden. Soll der Motor eine bis zu einem Höchstwert zunehmende Arbeitsleistung abgeben, wird der Mittelpunkt des Zeitraums der Brennstoffeinspritzung vorverlegt. Das kann man erreichen, indem man den Zeitpunkt, an dem die Einspritzung beginnt, vorverlegt, wobei der Zeitpunkt, an dem die Einspritzung endet, gleichgehalten wird, wodurch gleichzeitig die je Arbeitsspiel eingespritzte Brennstoffmenge erhöht wird; oder aber man nimmt eine Vorverlegung des mittleren Zeitpunkts der Brennstoffeinspritzung gleichzeitig mit einer Erhöhung der Menge des eingespritzten Brennstoffs in irgendeiner anderen geeigneten Weise vor.

Der Zeitraum der Brennstoffeinspritzung kann vorverlegt werden, bis der Einspritzbeginn einen Punkt II auf der Kurve erreicht, der etwa bei 20% des Kolbenabwärtsweges im Ansaughub liegt. Dieser Punkt kann unter Vollastbetriebsbedingungen erreicht werden. Bei allen Betriebsbedingungen wird die Einspritzung vorzugsweise nicht beendet, bis der Verdichtungstakt begönnen hat, obgleich es bei manchen Motorkonstruktionen wünschenswert sein kann, unter einigen Lastverhältnissen den gesamten Brennstoff beim Ansaugtakt einzuspritzen. Wird der letzte Teil der Einspritzung während des Verdichtungstaktes vorgenommen, so wird das Gemisch im Hilfsverbrennungsraum

etwas fetter sein als das im übrigen Verbrennungsraum.

An Hand der Fig. 1 und 2 werden folgende Beispiele erläutert, bei denen der gesamte Brennstoff in den Hilfsverbrennungsraum eingespritzt und die gesamte Luft durch diesen Raum zugeführt wird.

Beispiel 1
Vollast

In diesem Beispiel wird angenommen, daß der Hauptverbrennungsraum 6 und der Hilfsverbrennungsraum 5 des Motors in Fig. 1 und 2 ein gleiches Volumen aufweisen, wenn der Kolben am oberen Totpunkt ist, wobei die Summe der Volumina sich auf hundertfünfzig willkürliche Einheiten beläuft. Ferner wird angenommen, daß das geeignete Gemisch für Vollastbetrieb aus 150 Teilen Luft und 10 Teilen Brennstoff im ganzen Verbrennungsraum besteht.

Die Brennstoffeinspritzung ist zeitlich so eingestellt, daß die eine Hälfte des Brennstoffs während des Ansaugtaktes des Kolbens und die restliche Hälfte während des Verdichtungstaktes eingeführt wird. Am Ende des Ansaugtaktes besteht in 5 und 6 das Gemisch aus 5 Teilen Brennstoff und 150 Teilen Luft, d.h. ein Gemisch von 30: 1. 5 Teile Brennstoff werden während des Verdichtungstaktes entweder direkt in den Hilfsverbrennungsraum oder in den. Weg des Gemisches eingeführt, das der Kolben aus der Hauptverbrennungskammer in die Hilfsverbrennungskammer preßt. Im Zündmoment ist das Gemisch wie folgt verteilt: Im Hauptverbrennungsraum befinden sich 2,5 Teile Brennstoff, die während des Ansaugtaktes eingeführt wurden, und 75 Teile Luft (Gemisch 30: 1); im Hilfsverbrennungsraum befinden, sich 7,5 Teile Brennstoff, von dem 2,5 Teile im Ansaugtakt eingeführt und 5,0 Teile im Verdichtungstakt hinzugefügt wurden, sowie 75 Teile Luft (Gemisch 10:1). Die Gemischverteilung im Zündmoment wird nachfolgend tabellenmäßig angegeben:

Verbrennungs raum	Teile Luft	Teile Brf eingespi Saugtakt	mnstofr ■itzt im Verdich tungstakt	Luft- Brennstoff- Verhältnis
Haupt- Hilfs-	75 75	2,5 2,5	5	30:1 10:1
Insgesamt ...	150	5	5	15:1

Durch Änderung der Brennstoffeinspritzungszeit in bezug auf den Zeitpunkt des Wechsels von Ansaugen zu Verdichten ist es möglich, fast jedes gewünschte Verteilungsverhältnis des Brennstoffs zwischen den beiden Verbrennungsräumen zu erreichen, und zwar innerhalb der Grenzen von einer gleichförmigen Brennstoff verteilung im gesamten Verbrennungsraum bis zu einer Verteilung, bei der sich im Hauptverbrennungsraum kein und im Hilfsverbrennungsraum der gesamte Brennstoff befindet. Durch Einspritzen des gesamten Brennstoffes während des Ansaugtaktes ergibt sich eine gleichmäßige Verteilung des Brennstoffes innerhalb des gesamten Verbrennungsraumes. Durch Einspritzen des gesamten Brennstoffes während des Verdichtungstaktes gelangt im wesentlichen, kein Brennstoff in den Hauptverbrennungsraum, da der Brennstoff im wesentlichen vollständig im Hilfsverbrennungsraum verbleibt. Dazwischenliegende Brennstoffverteilungsverhältnisse werden erzielt, indem der Zeitraum der Brennstoffeinspritzung derart verändert wird, daß der Wechsel von Ansaugen zu Verdichten während des Einspritzzeitraumes stattfindet.

In obigem Beispiel ist nur der Vollastbetrieb unter Verwendung einer Gesamtmischung von 15 :1 beschrieben. Der Vorteil des Vollastbetriebes mit zwei verschieden starken Gemischen in einem gemeinsamen Verbrennungsraum ist der, daß ein Klopfen umgangen oder zumindest auf ein Mindestmaß herabgesetzt

ίο wird. In der Nähe der Zündvorrichtung wird eine verhältnismäßig fette Mischung aufrechterhalten, um eine sofortige Verbrennung sicherzustellen, während im übrigen Verbrennungsraum, entfernt von der Zündvorrichtung, eine magere Mischung vorhanden ist, die einem Klopfen entgegensteht. Diese unterschiedliche Verteilung wird bei Zufuhr von Brennstoff und Luft in Verhältnissen erzielt, die die höchste Arbeitsleistung ergeben.

Beispiel 2
Halblast

Bei den üblichen Ansaug-Verbrennungskraftmaschinen, die ein vorgefertigtes Luft-Brennstoff-Gemisch von Vergasern od. dgl. ansaugen, ergibt sich bei Herabsetzung der Brennstoffmenge ohne Herabsetzung der Luftmenge ein mageres Gemisch. Demzufolge ergibt, sich, wenn für eine schwache Arbeitsleistung nur 5 Teile Brennstoff zu 150 Teilen Luft hinzugefügt werden, ein Gemisch von 30:1, das zu mager ist, um zufriedenstellend, wenn überhaupt, zu zünden. Man kann zur Verringerung der in den Zylinder gelangenden Luft in dem Maße, in dem die Brennstoffmenge verringert wird, drosseln. Das führt aber durch Verringerung des Luftvolumens im Zylinder unbedingt zu einer entsprechend geringeren Verdichtung und vermindert den Wirkungsgrad der Umwandlung der Wärmeenergie in Nutzleistung sehr. Wird in dem Motor des Beispiels 1 der Zeitpunkt der Brennstoffeinspritzung derart verzögert, daß der gesamte Brennstoff (in diesem Beispiel 5 Teile) während der Verdichtung eingeführt wird, so ist das brennbare Gemisch direkt vor dem Zündmoment auf den. Hilfsverbrennungsraum beschränkt. Im Moment der Zündung wäre dann die Verteilung des Brennstoffs zwischen dem Hilfs- und dem Hauptverbrennungsraum wie folgt:

Verbrennungs raum 50	Teile Luft	Teile Br< eingespi Saugtakt	:nnstoff -itzt im Verdich tungstakt	Luft- Brennstoff- Verhältnis
Haupt- Hilfs-	75 75	—	5	15:1
⁵⁵ Insgesamt ...	150	—		30:1

Am Ort der Zündung im Hilfsverbrennungsraum bestände dann ein zündfähiges Gemisch von 15 :1 Im Hauptverbrennungsraum wäre nur Luft eingeschlossen. Indem sich auf diese Weise der Brennstoff nur in der Nähe der Zündvorrichtung befindet, kann ein mageres Durchschnittsgemisch von 30¹:1 wirksam verwandt werden, ohne durch Drosseln der Luft eine Verdichtungsminderung in Kauf zu nehmen. Auch ein Klopfen wird umgangen, indem man erreicht, daß entfernt von der Zündstelle ein mageres Gemisch vorhanden ist, so daß vor der sich von der Zündstelle ausbreitenden Brennschicht das unverbrannte Gemisch immer zu mager ist, um plötzlich unter Klopferscheinung zu explodieren.

Beispiel 3
Leerlauf

Dieses Beispiel bildet mit den Beispielen 4 und 5 eine Reihe. In diesen drei Beispielen gelten folgende Bedingungen:

1. Volumen des gesamten
= 150 Einheiten.

Verbrennungsraumes

2. Geringste für den Leerlauf erforderliche Brennstoffmenge = 2 Teile.

3. Optimalgemisch an der Zündstelle im Zündmoment = 15 :1.

Der Verbrennungsraum des Motors ist derart bemessen, daß die geringste für den Leerlauf erforderliche Brennstoffmenge im Zündmoment als ein Luft-Brennstoff-Gemisch von 15 :1 vollständig im Hilfsverbrennungsraum enthalten ist. Es ist demnach erforderlich, daß der Hilfsverbrennungsraum ein Fünftel des Gesamtvolumens des Verbrennungsraumes bei oberer Totpunktstellung des Kolbens ausmacht bzw. daß er ein Volumen von 30 Einheiten besitzt. Die Anordnung der Kammern kann die in Fig. 1 und 2 dargestellte sein bei entsprechender Anpassung der relativen Größen der Räume 5 und 6.

Unter Leerlaufbedingungen werden während des Verdichtungstaktes 2 Teile Brennstoff in den Hilfsverbrennungsraum eingeführt. In nachstehender Tabelle werden die im Zündmoment im Verbrennungsraum herrschenden Verhältnisse angeführt.

Verbrennungs raum	Teile Luft	Teile Bre eingespi Saugtakt	nnstoff itzt im Verdich tungstakt	Luft- Brennstoff- Verhältnis
Haupt- Hilfs-	120 30	—	0 2	15:1
Insgesamt ...	150	—	2	75:1

Große Brennstoffersparnis wird unter Leerlaufverhältnissen erzielt, da tatsächlich ein durchschnittliches Luft-Brennstoff-Gemisch von 75:1 verbrannt wird, das unter den Betriebsbedingungen ohne eine richtige Brennstoffverteilung praktisch nicht brennbar ist.

Beispiel 4
Teillast

Es wird angenommen, daß 6 Teile Brennstoff für den Bedarf ausreichen, um den Motor von Beispiel 3 bei der Bedingung mittlerer Arbeitsleistung zu betreiben. Der mittlere Zeitpunkt der Brennstoffeinspritzung wird vorverlegt, bis 5 Teile Brennstoff während des Ansaugtaktes und 1 Teil während des Verdichtungstaktes eingespritzt werden. Das ergibt im Zündmoment eine in folgender Tabelle angeführte Verteilung des Brennstoffes:

Verbrennungs raum	Teile Luft	Teile Bn eingespi Saugtakt	:nnstoff -itzt im Verdich tungstakt	Luft- Brennstoff- Verhältnis
Haupt- Hilfs-	120 30	4 1	1	30:1 15:1
Insgesamt ...	150	5	1	25:1

Im Hilfsverbrennungsraum wird ein optimales Luft-Brennstoff-Gemisch von 15 :1 aufrechterhalten und anderswo im Verbrennungsraum ein mageres Gemisch von 30:1.

Beispiel 5

Vollast

Die oberste Grenze der Arbeitsleistung des Motors, die bei Vorhandensein einer Mischung von 15 :1 im

ίο Zündmoment am Zündcrt besteht, wird erreicht, wenn 10 Teile Brennstoff während des Ansaugtaktes des Motors vollständig in den Hilfsverbrennungsraum eingespritzt werden. Hierdurch wird eine im wesentlichen vollständige Mischung und gleichmäßige Verteilung des Brennstoffes mit der Luft erreicht. Im Zündmoment ist die Verteilung der Mischung zwischen den beiden Räumen die aus folgender Tabelle ersichtliche:

20 Verbrennungs raum	Teile Luft	Teile Bn eingespi Saugtakt	«instofF •itzt im Verdich tungstakt	Luft- Brennstofi- Verhältnis
Haupt- Hilfs-	120 30	8	■—	15:1 15:1
Insgesamt ...	150	10	—	15:1

Um ein Höchstmaß an Arbeitsleistung bei niedrigster Klopfneigung zu erreichen, kann es erwünscht sein, die Gesamtmenge an eingespritztem Brennstoff etwas unter 10 zu halten und den Zeitraum der Brennstoffeinspritzung um ein: geringes bis zu einem Punkt zu verzögern, wo der letzte Teil des Brennstoffes während des Verdichtungstaktes eingespritzt und im wesentlichen im Hilfsverbrennungsraum zurückgehalten wird, um dort ein Gemisch von 15 :1 beizubehalten. Im Hauptverbrennungsraum ist dann das Gemisch etwas schwächer, und ein Klopfen wird dadurch auf ein Mindestmaß beschränkt.

Es kann, um bei einem Höchstmaß an Arbeitsleistung das Klopfen auf ein Mindestmaß zu beschränken, erwünscht sein, eine etwas andere Einstellung der in den beiden Verbrennungsräumen bestehenden Gemische vorzusehen. Vorausgesetzt, daß ein Gemisch von insgesamt 15 : 1 gewünscht wird, können 10 Teile Brennstoff wie folgt eingespritzt werden: 8,75 Teile während des Ansaugtaktes und 1,25 Teile während des Verdichtungstaktes. Dann wäre im Zündmoment die Verteilung bei solchen Betriebsbedingungen die in folgender Tabelle aufgeführte:

Verbrennungs raum	Teile Luft	Teile Bn eingespi Saugtakt	nnstoff itzt im Verdich tungstakt	Luft- Brennstoff- Verhältnis
60 Haupt- Hilfs-	120 30	7 1,75	1,25	17,14:1 10:1
Insgesamt ...	150	8,75	1,25	15:1

Im Hilfsverbrennungsraum bestände ein relativ fettes Gemisch von 10:1 und anderswo im Verbrennungsraum ein mageres von 17,14 :1.

In vorstehenden Beispielen sind der Einfachheit

halber die Sachlage komplizierende Faktoren, wie Diffusion und Konvektion, nicht besonders in Betracht gezogen worden. Diese Faktoren wirken sich in

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bezug auf die angewandten Grundlagen: jedoch nicht aus. Praktisch läßt sich keine scharfe Abgrenzung zwischen den Mischungen im Haupt- und Hilfsverbrennungsraum erzielen. Statt dessen besteht zwischen den beiden Räumen ein Gebiet, in dem der Übergang von einem auf das andere Mischungsverhältnis eher allmählich ist. Das ist wünschenswert, da die Ausbreitung der Brennschicht durch den Verbrennungsraum dadurch eher glatt verläuft.

Allgemein kann man sagen, daß während des Ansaugtaktes zugeführter Brennstoff gleichmäßig über beide Räume der Verbrennungskammer verteilt wird, wogegen während des Verdichtungstaktes eingespritzter Brennstoff im wesentlichen vollständig im Hilfsverbrennungsraum zurückgehalten wird. In der Praxis kann jedoch diese Verteilung wegen der vielen möglichen Formen doppelräumiger Verbrennungsräume, der Stellung und Arbeitsweise der Einlaß- und Auspuffventile, der örtlichen Anordnung der Brennstoffeinspritzdüse und anderen Faktoren etwas abgeändert sein. Die geeignetste Konstruktion eines Verbrennungsraumes für die Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung zum Betreiben von Verbrennungskraftmaschinen sollte es der einströmenden Luft ermöglichen, durch sämtlichen während des Ansaug- as hubes in den Hilfsverbrennnngsraum eingespritzten Brennstoff zu gehen, um eine gleichmäßige Verteilung dieses Brennstoffes innerhalb des gesamten Verbrennungsraumes zu bewirken.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Motor ist für die Zuführung von Luft oder Luft-Brennstoff-Gemischen sowohl zum Hilfsverbrennungsraum als auch unmittelbar zum Hauptverbrennungsraum Sorge getragen. In Fig. 4 stellt 11 die Wände des Zylinders und 12 den Kolben einer Viertakt-Verbrennungskraftmaschine dar. Der Zylinderkopf 13 umfaßt einen Hauptverbrennungsraum 14 einschließlich eines abgesetzten Teiles, wie bei den üblichen L-Kopf-Motoren. Im abgesetzten Teil befindet sich ein Haupteinlaßventil 15 und ein nicht dargestelltes Auspuffventil. Der Zylinderkopf 13 ist mit einem Hilfskopf 16 versehen, der z. B. in die übliche Zündkerzenöffnung eingepaßt sein kann. Er bildet einen Hilfsverbrennungsraum 17, der durch Durchgang 18 mit dem Hauptverbrennungsraum 14 verbunden ist. Der Hilfskopf 16 ist mit einer Brenn-Stoffeinspritzdüse 19, einer Zündkerze 20 und einem Hilfseinlaßventil 21 versehen. Werden: Luft-Brennstoff-Gemische während des Ansaugtaktes durch beide Ventile zugelassen, werden beide, das Haupteinlaßventil 15 und das Hilfseinlaßventil 21, vorzugsweise mit einer gemeinsamen Leitung verbunden, die an eine geeignete Vorrichtung zum Mischen von Luft und Brennstoff angeschlossen ist.

Die folgenden weiteren Beispiele beziehen sich auf den Betrieb eines Motors der in Fig. 4 dargestellten Art, bei dem das Volumen des Hilfsverbrennungsraumes 20% des Volumens des gesamten Verbrennungsraumes beträgt, wenn der Kolben am oberen Totpunkt ist. Die Beispiele sollen darüber hinaus noch besonders die Regelung des während des Verdichtungstaktes in den Hilfsverbrennungsraum eingespritzten Brennstoffanteils zeigen. Dies geschieht, um im Hauptverbrennungsraum bei allen geforderten Arbeitsleistungen nicht klopfende Gemische zu erzielen, wobei im Hilfsverbrennungsraum stets ein, zündfähiges Gemisch vorhanden ist.

Es wird angenommen, daß das Gesamtvolumen des Verbrennungsraumes 150 Gewichtseinheiten Luft entspricht und daß die kritische Klopfzone Luft-Brennstoff-Gemische von 10 :1 bis 25 :1 umfaßt.

Beispiel 6

Vollast

Bei Vollast wird die Hälfte der gesamten Brennstoffladung dem Verbrennungsraum während des Ansaugtaktes entweder durch Einspritzung in den Hilfsraum oder durch Einlaß in die Kammern als Gemisch mit Luft zugeführt, und die Hälfte der Ladung wird während des Verdichtungstaktes in den Hilf sraum eingespritzt.

Verbrennungs raum	Teile Luft	Teile Br< eingeb Saugtakt	:nnsto£E rächt Verdich tungstakt	Luft- Brennstoff- Verhältnis
Hilfs- Haupt-	30 120	1 4	5	5:1 30:1
Insgesamt ...	150	5	5	15:1

Beispiel 7 Halblast

Bei Halblast wird die Hälfte der gesamten Brennstoffladung wieder während des Ansaugtaktes zugeführt und die Hälfte in den Hilfsverbrennungsraum eingespritzt.

Verbrennungs raum	Teile Luft	Teile Bn eingeb Saugtakt	:nnstoff rächt Verdich tungstakt	Luft- Brennstoff- Verhältnis
Hilfs- Haupt-	30 120	0,5 2	2,5	10:1 60:1
Insgesamt ...	150	2,5	2,5	30:1

Beispiel 8 Leerlauf

Bei Leerlauf wird die gesamte Brennstoffladung, die sich auf 20% der Brennstoff ladung bei Vollast beläuft, während des Verdichtungstaktes in den Hilfsverbrennungsraum eingespritzt.

Verbrennungs raum	Teile Luft	Teile Bn einget Saugtakt	Minstoff rächt Verdich tungstakt	Luft- Brennstoff- Verhältnis
Hilfs- Haupt-	30 120	—	2	15:1 100% Luft
Insgesamt ...	150		2	75:1

In Fig. 5 wird entsprechend den Bedingungen der Beispiele 6, 7 und 8 die Änderung des Zeitpunkts und des Zeitraumes der Einspritzung in bezug auf Winkelstellung der Kurbel und Kolbenhub in einem Diagramm dargestellt.

Fig. 6 ist eine graphische Darstellung, aus der die Änderung der Luft-Brennstoff-Verhältnisse mit der Arbeitsleistung im Hauptverbrennungsraum und im Hilfsverbrennungsraum gemäß den Beispielen 6, 7 und 8 ersichtlich ist. Aus dieser graphischen Darstellung geht deutlich hervor, wie vermieden wird, daß im Haupt- und Hilfsverbrennungsraum bei hohen Lasten Luft-Brennstoff-Gemische der kritischen Klopfzone vorhanden sind. Hierdurch wird es möglich, sehr

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it

hohe Drücke und entsprechend erhöhte Arbeitsleistungen sogar mit verhältnismäßig empfindlichen Brennstoffen ohne Klopfen anzuwenden.

Die folgenden weiteren Beispiele 9, 10 und 11 beschreiben eine Änderung des Verfahrens gemäß der Erfindung. Hiernach werden in die Verbrennungsräume mit Zunahme der geforderten Arbeitsleistung zunehmende Brennstoffanteile mit der Luft eingeführt, und weitere Anteile werden ganz während des Verdichtungstaktes in den Hilfsverbrennungsraum eingespritzt. Dabei werden die derart eingespritzten Mengen im Verhältnis zum gesamten zugeführten Brennstoff geändert, um im Hilfsverbrennungsraum bei jeder geforderten Arbeitsleistung ein zündfähiges Gemisch zu erhalten. Das Volumenverhältnis der Verbrennungsräume und die angenommenen Bedingungen sind dieselben wie bei den Beispielen 6 und 8.

Beispiel 9
Vollast

Bei Vollast werden 96% der Brennstoffladung mit der Luftladung in die Verbrennungsräume eingeführt, und 4°/o der Brennstoffladung werden während des Verdichtungstaktes in die Hilfsverbrennungskammer eingespritzt.

des Verdichtungstaktes in den Hilfsverbrennungsraum eingespritzt.

5 Verbrennungs raum	Teile Luft	Teile Bn angesaugt	mnstoff ein gespritzt	Luft- Brennstoff- Verhältnis
Hilfs- ₁₀ Haupt-	30 120	0,75 3	1,25	15:1 40:1
Insgesamt ...	150	3,75	1,25	30:1

Verbrennungs raum	Teile Luft	Teile Brt angesaugt	:nnstofi ein gespritzt	Luft- Brennstoff- Verhältnis
Hilfs- Haupt-	30 120	1,92 7,68	0,4	12,93 :1 15,62:1
Insgesamt ...	150	9,6	0,4	15:1

Die Brennstoff-Luft-Verhältnisse können natürlich, wie im Beispiel 5 erwähnt, geändert werden.

Beispiel 10
Halblast

Bei Halblast werden 75 % der Brennstoffladung mit der Luftmenge eingeführt, und 25% werden während Beispiel 11
Leerlauf

Bei Leerlauf wird die gesamte Brennstoffladung, die sich auf 20% der Brennstoffladung bei Vollast beläuft, wie im Beispiel 8 während des Verdichtungstaktes in den Hilfsverbrennungsraum eingespritzt.

Die Beispiele 12, 13 und 14 beschreiben eine weitere Änderung des Verfahrens gemäß der Erfindung. Hiernach werden mit Zunahme der geforderten Arbeitsleistung zunehmende Brennstoffanteile mit der Luft in die Verbrennungsräume, wie bei den Beispielen 9 bis 11, eingeführt, und gleichbleibende Brennstoffmengen werden in den Hilfsverbrennungsraum eingespritzt, wobei der Zeitpunkt der Einspritzung mit zunehmender Arbeitsleistung vorverlegt wird, um die während des Verdichtungstaktes eingespritzte Menge abzuändern und im Hilfsverbrennungsraum bei jeder geforderten Arbeitsleistung ein zündbares Gemisch zu erhalten. Das Volumenverhältnis der Verbrennungsräume und die angenommenen Bedingungen sind dieselben wie bei den Beispielen 6 bis 11.

Beispiel 12
Vollast

Bei Vollast werden 80% der Brennstoffladung mit der Luftladung in die Verbrennungsräume eingeführt, und 20% der Brennstoffladung werden in den Hilfsverbrennungsraum eingespritzt, und zwar drei Viertel während des Ansaugtaktes und ein Viertel während des Verdichtungstaktes.

Verbrennungsraum	Teile Luft	angesaugt	Teile Brennstoff eingespritzt im Saugtakt [Verdichtungstakt	0,5	Luft-Brennstoff- Verhältnis
Hilfs-	30 120	1,6 6,4	0,3 1,2	0,5	12,5 :1 ~16:1
Haupt-	150	8,0	1,5	15:1
Insgesamt

Beispiel 13

Halblast brennungsraum eingespritzt, wobei 37,5% der 40%

Bei Halblast werden 60% des Brennstoffs mit der während des Ansaugtaktes eingespritzt werden und

Luft eingeführt, und 40% werden in den Hilfsver- 60 62,5% während des Verdichtungstaktes.

Verbrennungsraum	Teile Luft	angesaugt	Teile Brennstoff eingespritzt im Saugtakt [Verdichtungstakt	1,25	Luft-Brennstoff- Verhältnis
Hilfs-	30 120	0,6 2,4	0,15 0,6	1,25	15:1 40:1
Haupt-	150	3	0,75	30:1
Insgesamt

ι uyι

Beispiel 14
Leerlauf

Bei Leerlauf wird die gesamte Brennstoffladung, die sich auf 20% der Brennstoffladung bei Vollast beläuft, wie in den Beispielen 8 und 11 während des Verdichtungstaktes in den Hilfsverbrennungsrautn eingespritzt.

Um die Erläuterung klar und einfach zu gestalten, ist die Erfindung in ihrer Anwendung auf einen Motor mit einem einzigen Zylinder beschrieben worden; selbstverständlich bezieht sich die Erfindung auch auf Mehrzylinder-Verbrennungskraftmaschinen.

Der Brennstoff kann mit einer geringen Luftmenge gemischt sein und durch die Düse eingespritzt werden. Die zur Anwendung gelangende Luftmenge ist vorzugsweise nicht ausreichend, um mit dem Brennstoff eine brennbare Mischung zu bilden.

Die Düse zum Einspritzen des Brennstoffs ist kein besonderer Gegenstand der Erfindung. Es kann irgendeine der wohlbekannten, zur Zeit erhältlichen Brennstoffeinspritzdüsen sein, sie sollte aber vorzugsweise in der Lage sein, einen äußerst feinen, fast gasförmigen Brennstoffnebel zu erzeugen.

Zur Durchführung des Regelverfahrens ist die Brennkraftmaschine mit Vorrichtungen zur Änderung der je Spiel eingespritzten Brennstoffmenge versehen, zusammen mit Vorrichtungen zur Änderung des mittleren Zeitpunkts der Brennstoffeinspritzung, je nach Änderung der vom Motor geforderten Arbeitsleistung. Diese Vorrichtungen sind nicht Gegenstand der Erfindung und können von irgendeinem bekannten Typ sein.

Claims

Patentansprüche:

1. Regel verfahren für eine gemisch verdichtende Viertakt-Brennkraftmaschine mit Zeitpunktfremdzündung mit einem Hauptbrennraum und einer damit über eine Verengung verbundenen die Zündkerze enthaltenden Hilfsbrennkammer, deren Volumen kleiner oder zumindest nicht wesentlich größer als dasjenige des Hauptbrennraumes bei oberer Totpunktstellung des Kolbens ist, wobei über den gesamten Lastbereich die in den Zylinder eingebrachte Verbrennungsluftmenge etwa konstant bleibt und lediglich eine Änderung der Kraftstoffmenge erfolgt, ferner zumindest ein Teil der Kraftstoffmenge während des Verdichtungshubes in die Hilfsbrennkammer eingespritzt wird, alles derart, daß im gesamten Lastbereich stets ein zündbares Gemisch in der Hilfsbrennkammer vorhanden ist und das Gemisch in der Hauptbrennkammer mit abnehmender Belastung ärmer wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Maschine mit Einbringung zumindest eines Teiles der Verbrennungsluft oder eines Kraftstoff-Luft-Gemisches über die Hilfsbrennkammer (5 bzw. 17) das im ganzen Lastbereich zündbare Gemisch in dieser Kammer dadurch erreicht wird, daß die Kraftstoffeinspritzung in die Hilfskammer bezüglich Einspritzmenge und/oder Aufteilung des Einspritzbogens im Kurbeldiagramm auf Ansaug- und Verdichtungstakt entsprechend geändert wird.

2. Regel verfahren nach Anspruch 1 für eine Brennkraftmaschine, bei welcher die gesamte Kraftstoffmenge in die Hilfsbrennkammer eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Verbrennungsluftmenge über die Hilfsbrennkammer eingebracht und die Lage des Einspritzbogens im Kurbeldiagramm derart geändert wird, daß mit abnehmender Last der im Verdichtungstakt liegende Bogenteil größer und der im ίο Ansaugtakt liegende Bogenteil kleiner wird (Beispiele 1 bis 5 und Fig. 1 bis 3).

3. Regelverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit Ausnahme desjenigen Lastbereiches, der weniger als die doppelte Leerlauf-Kraftstoffmenge erfordert, die Hälfte der Kraftstoffmenge während des Verdichtungstaktes in die Hilfsbrennkammer (17) eingespritzt wird und die andere Hälfte während des Ansaugtaktes in den Hilfsbrennraum eingespritzt oder als Kraftstoff-Luft-Gemisch in die Verbrennungsräume eingebracht wird (Beispiele 6 bis 8 und Fig. 4, 5).

4. Regelverfahren nach Anspruch 1 für eine Brennkraftmaschine, bei welcher ein Teil des Kraftstoffes mit der Verbrennungsluft gemischt in mit steigender Motorbelastung zunehmender Menge in die Verbrennungsräume eingebracht wird und der in die Hilfsbrennkammer eingespritzte Kraftstoffanteil vollständig während des Verdichtungstaktes eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzmenge und die mit der Luft eingebrachte Kraftstoffmenge derart geändert werden, daß mit abnehmender Last der prozentuale Anteil der Einspritzmenge an der Gesamtmenge stärker ansteigt, als dies bei konstanter Einspritzmenge der Fall wäre (Beispiele 9 bis 11).

5. Regelverfahren nach Anspruch 1 für eine Brennkraftmaschine, bei welcher ein Teil des Kraftstoffes mit der Verbrennungsluft gemischt in mit steigender Motorbelastung zunehmender Menge in die Verbrennungsräume eingebracht wird und die in die Hilfsbrennkammer eingespritzte Kraftstoffmenge im ganzen Lastbereich konstant ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des Einspritzbogens im Kurbel diagramm derart geändert wird, daß mit abnehmender Last der im Verdichtungstakt liegende Bogenteil größer und der im Ansaugtakt liegende Bogenteil kleiner wird (Beispiele 12 bis 14).

6. Brennkraftmaschine zur Durchführung des Regelverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Hilfsbrennkammer (5 bzw. 17) 10 bis 50% des Volumens des gesamten Verbrennungsraumes bei oberer Totpunktstellung des Kolbens ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 391 788, 410 697,
790, 823 071;

deutsche Patentanmeldung D 2334 Ia/46 a² (bekanntgemacht am 5. 7. 1951);

britische Patentschrift Nr. 639 634.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 1 022 051.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen