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  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:
    Die vorgestellte Erfindung betrifft einen mit Benzin betriebenen Ottoverbrennungsmotor mit sehr hohem, konstruktiven Verdichtungsverhältnis von epsilon größer 15 : 1 einer Kraftstoffdirekteinspritzung in eine möglichst kompakte Vorbrennkammer, in der der Kraftstoff durch eine elektrische Zündkerze entzündet und anschließend verbrannt wird. Die Regelung erfolgt dabei wie bei Ottoverbrennungsmotoren üblich durch eine Drosselregelung der Ansaugluft.
    公开号:DE102004023409A1
    申请号:DE102004023409
    申请日:2004-05-12
    公开日:2006-01-26
    发明作者:Gottfried Schubert
    申请人:Schubert, Gottfried, Prof. Dipl.-Ing；
    IPC主号:F02B3-04
    专利说明:
    [0001] Diederzeit gebauten und angebotenen Ottoverbrennungsmotoren haben imVergleich zum Dieselmotor eine relativ niedrige Verdichtung unddeshalb einen höherenKraftstoffverbrauch, besonders im Teillastbetrieb. Der Dieselmotordagegen benötigt wegenseines hohen Spitzendrucks eine relativ stärkere und schwerere Bauweise,läuft inder Regel lauter und rauher, erzeugt mehr Stickoxide, vor allem aberdie gesundheitsschädlichenRusspartikel.
    [0002] DerhöhereTeillastverbrauch des Ottoverbrennungsmotors wirkt sich hauptsächlich imTeillastbetrieb aus, was im Alltagsbetrieb deshalb sehr negativist, weil unsere Automobile wegen des dichten Straßenverkehrsfast nur noch im Teillastbereich betrieben werden können.
    [0003] ZurAbsenkung des Kraftstoffverbrauchs beim Ottoverbrennungsmotor wurdenbisher verschiedene Maßnahmenbekannt: Verbesserung der Verbrennung durch Drall und Verwirbelungdes Kraftstoffluftgemisches, Gemischabmagerung, Ladungsschichtung,Mehrfachzündungu.a.. Beim Dieselmotor suchte man Verbesserungen durch Kraftstoffdirekteinspritzungin Vor- und Nebenbrennkammern, gelenkter Einspritzstrahl u.v.a.mehr. Alle bekannt gewordenen Maßnahmen haben aber, besondersbeim Ottoverbrennungsmotor, keine wesentliche Absenkung des Kraftstoffverbrauchserbracht.
    [0004] Umbeim Ottoverbrennungsmotor den Kraftstoffverbrauch, vor allem imTeillastbereich spürbar abzusenken,muß dasVerdichtungsverhältniswirksam angehoben werden, weil nur damit der thermische Wirkungsgradspürbaransteigt. Derzeitige Ottoverbrennungsmotoren arbeiten bekanntlichmit konstruktiven Verdichtungsverhältnissen von ca ε = 10 . 1.Wird dieser wert wesentlich überschritten,dann ergibt sich im Vollastbetrieb die Gefahr einer Selbstentzündung mitklingelnder oder gar klopfender Verbrennung, was bekanntlich einendrastischen Abfall von Drehmoment und Leistung, ja sogar eine Zerstörung desVerbrennungsmotors zur Folge haben kann. Dieselmotoren arbeitenmit konstruktiven Verdichtungsverhältnissen von ε = 18 bis25 : 1 und dies auch im Teillastbereich, weil der Dieselmotor imGegensatz zum Ottomotor in jedem Lastzustand fast die volle Zylinderfüllung verdichtenmuß, umdie notwendige Selbst entzündungstemperaturzu erreichen. Damit arbeitet er, besonders im Teillastbetrieb, miteinem wesentlich höherenthermischen Wirkungsgrad als der Ottoverbrennungsmotor, der wegenseiner Drosselregelung nur jeweils eine Teilfüllung verdichtet und damitteilweise bei sehr niedrigen effektiven Verdichtungsverhältnissenvon weniger als ε =3 : 1 arbeitet. Bei Leerlauf etwa hat ein Ottoverbrennungsmotornur eine Füllungvon ca 20 bis 25 Prozent.
    [0005] EinNachteil des Dieselmotors ist dabei aber doch, daß er wegender hohen Verdichtung fast der ganzen Zylinderfüllung auch hohe Verdichtungsarbeitleisten muß.In Fachkreisen ist deshalb bekannt, daß ein Ottoverbrennungsmotor,der im Teillastbereich mit ähnlichhohen Verdichtungsverhältnissen wieein Dieselmotor betrieben würde,letzterem wegen der geringeren Verdichtungsarbeit überlegen wäre.
    [0006] Dasnachfolgend beschriebene, erfindungsgemäße Verbrennungsverfahren für Ottoverbrennungsmotorensoll die Vorteile des Ottoverbrennungsverfahrens mit denen des Dieselmotors(hohe Verdichtung) verbinden und doch die Gefahr einer Selbstentzündung beherrschen.Der erfindungsgemäße Ottoverbrennungsmotorhabe dafürein konstruktives Verdichtungsverhältnis von ε = 15 bis 25 . 1 und erreichtdamit im Teillastbereich einen entsprechend niedrigen Kraftstoffverbrauch.Um das zu ermöglichen,hat der erfindungsgemäße Ottoverbrennungsmotoraußerhalbdes Hauptbrennraumes, das ist der Raum zwischen Kolbenboden undZylinderkopf beim Hubkolbenmotor, eine im Zylinderkopf angeordneteund mit dem Hauptbrennraum durch einen Überströmkanal verbundene Vorbrennkammer,in die der Kraftstoff währenddes Verdichtungshubes direkt eingespritzt und von einer ebenfallsin dieser Vorbrennkammer angeordneten Zündkerze entzündet wird.Diese Vorbrennkammer sei möglichstkompakt – kugel-oder halbkugelförmig – ausgebildet,damit Brennweg und Durchbrennzeit möglichst kurz werden; aus demselbenGrund sei die Zündkerzemöglichstmittig, angeordnet. Da diese Vorbrennkammer trotz guter Kühlung imBetrieb relativ heiß wird,soll der eingespritzte Kraftstoffstrahl an der Innenwand der Vorbrennkammerentlang gleitend, diese kühlen unddabei den Kraftstoff verdampfen um dann zum optimalen Zeitpunkt,relativ nahe beim oberen Totpunkt (OT) entzündet zu werden. Die Verbrennung läuft wegender kurzen Brennwege sehr schnell ab, was eine weitgehend vollständige Verbrennungbei hohem thermischen Wirkungsgrad ergibt. In dieser Ausführung kannder erfindungsgemäße Ottoverbrennungsmotornur als sog. Drosselmotor betrieben werden; dafür muß die Öffnung der Drosselklappe soweitbegrenzt werden, daß nochkeine Selbstentzündungerfolgen kann. Man verschenkt damit zunächst hohe Spitzenwerte an Drehmomentund Leistung, bekommt dafüraber einen sehr sparsamen Drosselmotor, der in Leistung und Drehmomentdem des Ausgangsmotors mit einer Verdichtung von ε = 10 : 1durchaus ebenbürtigist, weil der erfindungsgemäße Ottoverbrennungsmotormit einem viel höherenVerdichtungsverhältnisarbeitet.
    [0007] Umbeim erfindungsgemäßen Ottoverbrennungsmotoreinen echten Volllastbetrieb zu ermöglichen, wird folgende Einspritzsteuerungangeordnet: Schon ab oberem Teillastbereich, wenn also die Gefahreiner Selbstentzündungzu befürchtenist, wird in die Vorbrennkammer nur ein Teil (ca zwei Drittel) des für die volleVerbrennung benötigtenKraftstoffes eingespritzt, wodurch das damit entstehende Kraftstoffluftgemisch(Benzin-Luftgemisch) zunächstnicht zündfähig ist.Bekanntlich ist ein Kraftstoffluftgemisch bei Verwendung von Benzinals Kraftstoff nur in relativ engen Mischungsverhältnissen überhauptzündfähig undzwar etwa im Bereich von λ =0,5 bis 1,2; dabei entspricht ein λ = 1, 0 dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis. Umdas in der Vorbrennkammer vorgemischte Kraftstoffluftgemisch zündfähig zu bekommen,spritzt man kurz vor dem aus dem Teillastbereich bekannten, optimalenZündzeitpunkt denRest des benötigtenKraftstoffes (ca ein Drittel) nach und erreicht so die Zündfähigkeit.Diese Nachspritzung kann aus ein und derselben Einspritzdüse erfolgen.Sie kann aber auch aus einer zweiten Einspritzdüse so erfolgen, daß der zweiteKraftstoffstrahl in Richtung der Überströmkanalachse verläuft undso die Flamme besser in den Hauptbrennraum getragen wird. Die eigentlicheVerbrennung in der Vorbrennkammer veräuft so schnell, daß dort eineklopfende Verbrennung kaum entstehen kann, zumal die von der Zündung ausgehendeDruckwelle sich überden Überströmkanal zunächst entspannenkann; im Hauptbrennraum selbst kann keine Selbstentzündung entstehen,weil sich dort nur verdichtete Luft ohne Kraftstoff befindet.
    [0008] Damitkann man auch einen echten Vollastbetrieb des erfindungsgemäßen Ottoverbrennungsmotorsbeherrschen. Allerdings wird ein derartiger Ottoverbrennungsmotorwegen seines hohen Verdichtungsverhältnisses relativ hohe Wertein Drehmoment und Leistung erreichen und deshalb eine mechanischeVerstärkungbenötigen.
    [0009] Inder zuletzt beschriebenen Ausführungist der erfindungsgemäße Ottoverbrennungsmotorein Hochleistungsmotor mit sehr niedrigem Teillastverbrauch. Dabeiwirkt die Restluft im Hauptbrennraum wie eine Nachverbrennung, weshalbsich ein eigener Katalysator erübrigendürfte.
    [0010] Umauch noch die letzten Leistungsreserven aus dem erfindungsgemäßen Ottoverbrennungsmotorherauszuholen, kann man die im Hauptbrennraum noch vorhandene Restluftmit einer Kraftstoffeinspritzung versehen und durch eine zweiteZündkerzeentzünden.Dann aber benötigtman wieder einen eigenen Katalysator zur Erreichung ausreichender Abgaswerte.
    [0011] Umdie Verbrennung im erfindungsgemäßen Ottoverbrennungsmotornoch effektiver zu machen, kann man durch eine Lufteinblasung indie Vorbrennkammer gegen Ende des Auslaßhubes die Vorbrennkammer vomrestlichen Abgas reinigen und mit Frischluft füllen.
    [0012] Einerelativ einfache Variante des erfindungsgemäßen Ottoverbrennungsmotorskönnteso aussehen, daß dieVorbrennkammer zwischen Einlaßventilund Hauptbrennraum angeordnet wird und von letzterem durch einenumlaufenden Wulst soweit abgetrennt wird, daß kein unverbrannter Kraftstoffin den Hauptbrennraum gelangt. In dieser Version wird die Vorbrennkammerwährenddes Ansaugtaktes automatisch mit Frischluft gespült und befüllt.
    [0013] Besondersgeeignet fürdas vorstehend beschriebene, erfindungsgemäße Verbrennungsverfahren istder Wankel-Kreiskolbenmotor, weil er bekanntlich für drei Kolbenin einer Scheibe nur einen Verbrennungsraum benötigt. Von diesem Kreiskolbenmotorwar bisher bekannt sein überhöhter Kraftstoffverbrauch,seine schlechte Laufkultur (Zweitaktern im unteren Teillastbereich)und seine viel zu hohen Abgastemperaturen. All diese Nachteile werden durchdas erfindungsgemäße Verbrennungsverfahren überwunden:Durch die kompakte Vorbrennkammer, welche sich hier außerhalbder sog. Trochoide befin det und mit dem Hauptbrennraum durch den Überströmkanal verbundenist, wird die Verbrennung wesentlich verbessert; Kraftstoffverluste über die sog.Leckgase entfallen, weil in den Hauptbrennraum kein unverbrannterKraftstoff gelangt. Die Leckgase enthalten nur Luft oder bereitsverbrannte Abgase. Wegen der Vorbrennkammer entfallen auch die bishernotwendigen Brennmulden in den Kolbenoberflächen; damit entfallen im sog. Überschneidungs-OT, auchbeim günstigerenUmfangs-Ein- und Auslaß, diebisher üblichenKurzschlußverluste.Der Überströmkanal mündet dabeian der Trochoide im Bereich des Zünd-OT oder in Drehrichtungspäter,um die Vorbrennkammer besser zu spülen; dies wird weiter verbessert,wenn der Überströmkanal einein Überströmkanalachseverlaufende, quer zur Drehrichtung angeordnete Zwischenwandung erhält: Dannnämlichdrücktder Überdruckim nacheilenden Kolbenbrennraum zu nächst Luft in die Vorbrennkammer,treibt dabei das Abgas in den vorauseilenden Kolbenbrennraum undfüllt dannerst die Vorbrennkammer mit Frischluft während des weiteren Verdichtungshubes.
    [0014] Auchhier könnteman die Spülungdurch eine eigene Frischlufteinblasung verbessern. All diese Maßnahmenergeben einen sauberen Gaswechsel, damit einen runden Motorlauf,einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch und normale Abgastemperaturen.
    [0015] Dienachfolgend vorgestellten Figuren zeigen in 1 einen erfindungsgemäßen Hubkolbenmotor(nur ein Zylinder), in 2 einen erfindungsgemäßen Kreiskolbenmotor,in den 3 und 4 einen Zylinder eines Hubkolbenmotorsnach Anspruch 7 in Auf- und Grundriss, bei welchem die Vorbrennkammerzwischen Einlaßventilund Hauptbrennraum angeordnet ist. Die eingetragenen Ziffern bezeichnen inallen Figuren gleiche Teil und zwar: 1 den Kolben, 2 dieZylinderwandung bzw. Trochoide, 3 den Zylinderkopf, 4 dasAuslaßventil, 5 dieVorbrennkammer, 6 den Überströmkanal, 7 dieHaupteinspritzdüse, 8 dieZündkerze, 9 diezweite Einspritzdüse, 10 den Einlaßkanal, 11 denAuslaßkanal, 12 dasEinlaßventil, 13 dieZwischenwand im Überströmkanal eines Kreiskolbenmotors, 14 dieumlaufende Wulst, 15 den Hauptbrennraum, 16 denZünd-OTund 17 den Überschneidungs-OTbeim Kreiskolbenmotor.
    权利要求:
    Claims (10)
    [1] Ottoverbrennungsmotor mit hohem, konstruktivenVerdichtungsverhältnisvon ε größer 15 :1, Drosselregelung, Fremdzündungund einer Kraftstoffdirekteinspritzung in eine Vorbrennkammer (5), diedurch einen Überströmkanal (6)mit dem Hauptbrennraum (15) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,daß derKraftstoff währenddes Verdichtungshubes in die Vorbrennkammer (5) eingespritzt unddurch eine dort möglichstzentral angeordnete Zündkerze(8) entzündetwird.
    [2] Ottoverbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß dieserso gedrosselt wird, das es zu keiner unkontrollierten Selbstentzündung kommt.
    [3] Ottoverbrennungsmotor nach den Ansprüchen 1 und2, dadurch gekennzeichnet, daß dereingespritzte Kraftstoffstrahl an der Innenseite der Vorbrennkammerentlang rechtwinklig zur Achse des Überströmkanals geführt wird.
    [4] Ottoverbrennungsmotor nach den Ansprüchen 1 und3, dadurch gekennzeichnet, daß imoberen Teillast- und im Vollastbereich zunächst nur ein Teil – ca 2/3 – des für die volleVerbrennung notwendigen Kraftstoffes eingespritzt wird und der zweiteTeil der Einspritzmenge – ca1/3 – erstkurz vor dem optimalen Zündzeitpunktnachgespritzt wird.
    [5] Ottoverbrennungsmotor nach den Ansprüchen 1,3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite kleinere Teilder eingespritzten Kraftstoffmenge über eine zweite Einspritzdüse (9)erfolgt und deren Strahl in Achsrichtung des Überströmkanals (6) verläuft.
    [6] Ottoverbrennungsmotor nach den Ansprüchen 1 mit5, dadurch gekennzeichnet, daß indie Vorbrennkammer (5) gegen Ende des Auslaßhubes zusätzlich Frischlufteingeblasen wird.
    [7] Ottoverbrennungsmotor nach den Ansprüchen 1 mit6, dadurch gekennzeichnet, daß dieVorbrennkammer (5) zwischen Einlaßventil (12) und Hauptbrennraum(15) angeordnet wird und diese vom Hauptbrennraum durcheinen Wulst (14) teilweise abgetrennt ist.
    [8] Ottoverbrennungsmotor nach den Ansprüchen 1 mit6, dadurch gekennzeichnet, daß dieo.a. Ansprücheauch fürVerbrennungsmotoren anderer Bauarten, insbesondere für den Kreiskolbenmotor gelten,der Kolben (1) des Kreiskolbenmotors dann keine Brennmuldehat, die Vorbrennkammer (5) außerhalb der Trochoide (entsprichtder Zylinderwandung (2) beim Kolbenmotor) angeordnet unddurch einen Überströmkanal (6)mit dem Hauptbrennraum (15) verbunden ist, wobei der Überströmkanal (6)an der Trochoide im Bereich des sog. Zünd-OT (16) oder inDrehrichtung spätermündensoll.
    [9] Ottoverbrennungsmotor nach den Ansprüchen 1,3 mit 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Kraftstoffmenge inden Hauptbrennraum (15) eingespritzt und dort von einerzweiten Zündkerze entzündet wird.
    [10] Ottoverbrennungsmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,daß sichim Überströmkanal (6)des Kreiskolbenmotors eine in Überströmkanalachseverlaufende, quer zur Drehrichtung angeordnete Zwischenwand (13)befindet.
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2006-01-26| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2006-03-02| 8122| Nonbinding interest in granting licences declared|
    2007-11-15| 8364| No opposition during term of opposition|
    2011-11-03| R082| Change of representative|Representative=s name: BECKORD & NIEDLICH PATENTANWALTSKANZLEI, DE Representative=s name: BECKORD & NIEDLICH PATENTANWAELTE PARTG MBB, DE |
    2012-01-21| R084| Declaration of willingness to licence|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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