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 Ottoverbrennungsverfahrens 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 halbkugelförmig - 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 Kraftstofϊluftgemisch (Benzin-Luftgemisch) zunächst nicht zündfähig ist Bekanntlich ist ein Kraftstoffluftgemisch bei Verwendung von Benzin als Kraftstoff nur in relativ engen Mischungsverhältnissen überhaupt zündfähig, 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 Zündfähigkeit. 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 Ottoverbrennungs¬ motors 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 Ottoverbrennungs¬ motor 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 Verbrennungsver¬ fahren 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 Kolbenoberflächen; damit entfallen im sogenannten Uberschneidungs-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 Überströmkanal, 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.