AT413855B

AT413855B - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: AT413855B
Application number: AT0801204A
Authority: AT
Inventors: Robert Dr Beran
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2003-05-27
Filing date: 2003-05-27
Publication date: 2006-06-15
Also published as: ATA80122004A

Description

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AT 413 855 B

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere Gasmotor, mit einer mit einem Hauptbrennraum verbundenen, einen Vorkammerkörper aufweisenden, Vorkammer zur Einleitung der Verbrennung, wobei die Vorkammer eine thermische Isolierung aufweist. 5 Brennverfahren mir Vorkammer kommen unter anderem in mager (mit hohem Luftverhältnis) betriebenen Gasmotoren, ab einem gewissen Zylinderhubvolumen, zur Anwendung. Der Vorteil einer Verbrennungseinleitung in der Vorkammer, anstatt im Hauptbrennraum besteht darin, dass auch bei hohen Luftverhältnissen eine geringe Zündenergie ausreicht, um eine effiziente (mit gutem Wirkungsgrad) und dennoch schadstoffarme Verbrennung der gesamten Zylinderla-io düng (in Vorkammer und Hauptbrennraum) sicherzustellen.

Die Vorkammer ist mit dem Hauptbrennraum über eine oder mehrere Bohrungen strömungstechnisch verbunden. Das Brenngas/Luft-Gemisch strömt über eine oder mehrere Einlassventile in den Hauptbrennraum und wird in weiterer Folge während des Verdichtungsvorganges in die 15 Vorkammer geschoben, so dass in dieser ein brennbares Gemisch zur Verfügung steht.

Zur Entflammung des Brenngas/Luft-Gemisches werden elektrische Funkenzündsysteme und auch Zündstrahlverfahren angewandt. Im Falle einer elektrischen Funkenzündung wird vielfach noch zusätzlich reines Brenngas oder ein Brenngas/Luft-Gemisch in die Vorkammer einge-20 bracht, um am Ort der Verbrennungseinleitung ein, im Vergleich zum Hauptbrennraum, deutlich fetteres und damit auch zündwilligeres Gemisch zur Verfügung zu haben. Während bei den elektrischen Zündsystemen die Verbrennungseinleitung durch einen Überschlag eines Zündfunkens zwischen den Elektroden einer Zündkerze erfolgt, wird bei dem 25 Zündstrahlverfahren eine kleine Menge flüssigen Brennstoffes unter hohem Druck in die Vorkammer eingespritzt. Diese entzündet sich bei ausreichend hohen Verdichtungstemperaturen selbst und initialisiert in weiterer Folge die Verbrennung des Brenngas/Luft-Gemisches.

Statt der Verbrennungseinleitung durch einen Zündfunken oder auch durch einen flüssigen 30 Zündstrahl kann die Verbrennung in der Vorkammer auch durch eine homogene Selbstzündung eingeleitet werden, wie in der österreichischen Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 354/2002 beschrieben ist.

Aus der Vorkammer strömen Flammenfackeln in den Hauptbrennraum und entflammen auch 35 das dort befindliche Brenngas/Luft-Gemisch.

Zur Erzielung einer stabilen Verbrennung in der Vorkammer ist bei sämtlichen Konzepten ein ausreichend hohes Temperaturniveau in der Vorkammer erforderlich. 40 Dies gilt insbesondere für Gasmotoren mit Zündstrahlverfahren und für Konzepte mit homogener Verbrennung in der Vorkammer. Damit es zu einer Selbstzündung des eingespritzten oder eingeblasenen Zündstrahles kommt, muss die Selbstzündungstemperatur überschritten werden. Die Temperaturerhöhung des in der Vorkammer befindlichen Restgas/Brenngas/Luft-Gemisches resultiert primär aus dem Verdichtungsvorgang. Wandwärmeverluste verringern 45 jedoch wiederum die Temperatur des Gasgemisches und erschweren damit die Selbstzündung. Speziell beim Start eines Zündstrahlmotors sind die Wandwärmeverluste besonders hoch, was den Motorstart erheblich erschwert.

Aber auch bei Gasmotoren mit elektrischer Zündung, mit und ohne zusätzlicher Gaszufuhr so (oder Gas/Luft-Gemischzufuhr) führen zu große Wandwärmeverluste zu einer schlechten Verbrennung in der Vorkammer. Insbesondere bei hohen Luftverhältnissen in der Vorkammer zum Zündzeitpunkt führt dies zu einer schlechten Verbrennung.

Aus der EP 0 097 320 A2 ist eine Vor- oder Wirbelkammer für Verbrennungsmotoren bekannt, 55 welche einen den Innenraum formenden inneren Formkörper und einen eine Wärmeisolierung 3 AT 413 855 ß bildenden äußeren Formkörper aus keramischem Werkstoff aufweist, der durch Schrumpfen oder Kleben außen mit dem inneren Formkörper verbunden ist. Vorkammern mit Wärmeisolierungen an der Außenseite des Vorkammerkörpers sind auch aus der Veröffentlichung DE 864 173 B bekannt. Nachteilig ist, dass diese bekannten Vorkammern mit thermischer 5 Isolierung einen erhöhten Herstellungsaufwand aufweisen. Trotz Isolierung werden die Vorkammern mechanisch und thermisch stark belastet. Für eine Nachrüstung sind derartig isolierte Vorkammern weniger geeignet.

Die DE 198 00 751 A1 zeigt eine Brennkraftmaschine mit einer Hauptverbrennungskammer und io einer Vorverbrennungskammer, in welche eine Gas-Brennstoff-Einführöffnung einmündet. Das Vorverbrennungskammerelement ist aus wärmebeständigen Materialien, umfassend Keramikmaterialien, hergestellt, um eine Wärmeisolierung auszubilden. Ein in die Vorkammer eingesetzter Isolierungseinsatz ist nicht vorgesehen. 15 Die DE 38 32 261 A1 beschreibt eine Vorkammerkonstruktion für eine Brennkraftmaschine mit einer Vorkammer, die durch einen keramischen Körper gebildet ist, der eine Aufnahmeöffnung für eine Glühkerze aufweist und der in einen zur Aufnahme einer Vorkammer vorgesehenen Hohlraum eines metallischen Zylinderkopfes eingesetzt wird. Auf den keramischen Körper ist eine Metallhülse aufgepasst. 20

Auch die US 5,065,714 zeigt eine Vorkammer, welche aus wärmeisolierendem Material besteht.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art auf möglichst einfache Weise die Wärmeverluste im Bereich der 25 Vorkammer zu vermindern.

Erfindungsgemäß erfolgt dies dadurch, dass die thermische Isolierung durch einen in die Vorkammer eingesetzten, als Hülse ausgebildeten, Isolierungseinsatz gebildet ist und dass der Vorkammerkörper mehrteilig ausgebildet ist und zumindest aus einem die Hülse aufnehmenden 30 ersten Teil und einem die Vorkammer in axialer Richtung abschließenden zweiten Teil besteht. Durch die entstehende Trennfuge zwischen der Hülse und dem eigentlichen Vorkammerkörper wird der Wärmeabfluss erschwert. Darüber hinaus ergibt sich dabei der Vorteil, dass sich die thermische Belastung des eigentlichen Vorkammerkörpers, welcher bereits mechanisch stark beansprucht ist, reduziert. Die Hülse besteht dabei vorteilhaftenweise aus einem wärmefesten 35 Material oder mehreren Materialen, beispielsweise zumindest teilweise aus Keramik.

Die Einbringung der Hülse ist durch einfache Adaptionen auch an bestehenden Vorkammerkonstruktionen leicht zu realisieren, ein Nachrüsten in Serie befindlicher Motoren ist daher kostengünstig möglich. Besonders geringe Maßnahmen sind erforderlich, wenn die Hülse rota-40 tionssymmetrisch, vorzugsweise zylindrisch, geformt ist und die Vorkammer zumindest abschnittsweise zylindrisch geformt ist. Vorzugsweise wird die Hülse in eine beispielsweise durch einen Fräs- oder Drehvorgang hergestellte Ausnehmung entsprechend der Form der Hülse eingesetzt. 45 Um eine Störung der Strömungen innerhalb der Vorkammer zu vermeiden, ist in einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen, dass die innere Mantelfläche der Hülse an die angrenzende Vorkammerwand plan anschließt.

Mit den beschriebenen Maßnahmen zur Wärmeisolation erreicht das Restgas/Brenngas/Luft-50 Gemisch in der Vorkammer gegen Ende der Verdichtung (kurz bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht) ausreichend hohe Temperaturen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figur näher erläutert. 55 Die Figur zeigt eine erfindungsgemäße Vorkammer im Längsschnitt.

Claims

4 AT 413 855 B Die Vorkammer 1 ist im Zylinderkopf 2 einer nicht weiter dargestellten Brennkraftmaschine angeordnet. Der Innenraum 3 der Vorkammer 1 mündet über Öffnungen 4 in eine Hauptbrennraum 5 der Brennkraftmaschine. 5 Der Vorkammerkörper 6 der Vorkammer 1 ist mehrteilig ausgebildet und besteht zumindest aus einem ersten Teil 7 und einem den ersten Teil 7 in axialer Richtung abschließenden zweiten Teil 8. Die Längsachse der Vorkammer 1 ist mit 1a bezeichnet. Der erste Teil 7 spannt den Innenraum 3 auf und weist einen zylindrischen Abschnitt 9 auf, in io welchen eine zylindrische Ausnehmung 10 beispielsweise durch Fräsen oder Drehen eingeformt ist. In die Ausnehmung 10 des ersten Teiles 7 ist ein durch eine zylindrische Hülse 11 gebildeter thermischer Isoliereinsatz 12 eingesetzt, welcher einerseits die Wärmeverluste vermindert und andererseits die thermische Belastung des Vorkammerkörpers 6 reduziert. Die Verminderung der Wärmeverluste wird dabei einerseits durch die Trennfuge 13 zwischen Vor-15 kammerkörper 6 und Isoliereinsatz 12, andererseits durch die Wahl eines wärmefesten Materials mit niedriger Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Keramik, realisiert. Die innere Mantelfläche 14 der Hülse 11 schließt möglichst übergangslos an die Vorkammerwand 15 an, so dass Störungen im Strömungs- und Verbrennungsablauf innerhalb der Vor-20 kammer 1 vermieden werden. Über den zweiten Teil 8 kann ein Einspritzventil und/oder eine Zündeinrichtung in den Innenraum 3 der Vorkammer 1 einmünden, wie durch Bezugszeichen 16 und 17 angedeutet ist. Bei Zündstrahlmotoren und bei Motoren mit homogener Verbrennung in der Vorkammer 1 kann 25 mit dieser Maßnahme zur Wärmeisolation eine sichere Selbstzündung gewährleistet und eine stabile, rasche Verbrennung in der Vorkammer 1 und in weiterer Folge im Hauptbrennraum 5 sichergestellt werden. Bei Zündstrahlmotoren ist eine Reduzierung der nötigen Einspritzmengen an flüssigem Brennstoff möglich, wodurch Vorteile bei den NOx-Emissionen erreicht werden können. Auch kann durch die bessere Wärmeisolation der Vorkammer 1 ein besseres Startver-30 halten der Brennkraftmaschine erzielt werden, da die für gutes Zündverhalten nötigen Temperaturniveaus schneller erreicht werden. Vorteile hinsichtlich Startverhaltens, Zündung und Verbrennung sind auch bei Vorkammerkonzepten mit einer homogenen Verbrennung in der Vorkammer 1 festzustellen. 35 Auch bei Vorkammer-Brennkraftmaschinen mit elektrischer Zündung lässt sich die Stabilität und die Geschwindigkeit der Verbrennung in der Vorkammer 1 und damit auch im Hauptbrennraum 5 steigern. 40 Patentansprüche: 1. Brennkraftmaschine, insbesondere Gasmotor, mit einer mit einem Hauptbrennraum (5) verbundenen, einen Vorkammerkörper (6) aufweisenden, Vorkammer (1) zur Einleitung der 45 Verbrennung, wobei die Vorkammer (1) eine thermische Isolierung aufweist, dadurch ge kennzeichnet, dass die thermische Isolierung durch einen in die Vorkammer (1) eingesetzten, als Hülse (11) ausgebildeten, Isolierungseinsatz (12) gebildet ist und dass der Vorkammerkörper (6) mehrteilig ausgebildet ist und zumindest aus einem die Hülse (11) aufnehmenden ersten Teil (7) und einem die Vorkammer in axialer Richtung abschließenden 50 zweiten Teil (8) besteht.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (11) rotationssymmetrisch, vorzugsweise zylindrisch, geformt ist.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkam- 5 AT 413 855 B mer (1) zumindest abschnittsweise zylindrisch geformt ist.
4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (11) aus wärmefestem Material oder mehreren Materialen, vorzugsweise zumindest 5 teilweise aus Keramik, besteht.
5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Mantelfläche (14) der Hülse (11) an die angrenzende Vorkammerwand (15) plan anschließt. 10
6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorkammerkörper (6) eine vorzugsweise durch einen Fräs- oder Drehvorgang gestaltete Ausnehmung (10) entsprechend der Form der Hülse (11) aufweist. 15 Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 20 25 30 35 40 45 50 55