DE10118315C2 - Brennkraftmaschine - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem durch feststehende
Gehäusewände und einen darin beweglich angeordneten Kolben begrenzten
Kompressionsraum und mit einem Porenkörper, in welchem die Verbrennung von
Kraftstoff und Luft zumindest teilweise erfolgt.
Aus der DE 199 00 231 A1 und auch aus der DE 197 53 407 C2 sind Brennkraftmaschinen
bekannt, die einen von feststehenden Gehäusewänden und einen darin beweglichen
Kolben gebildeten Kompressions- und Verbrennungsraum aufweisen, in welchen Kraftstoff
und Luft zur Verbrennung zugeführt werden. In dem Kompressions- und
Verbrennungsraum ist ein gasdurchlässiger Porenkörper angeordnet, in welchem im
wesentlichen die Verbrennung des Kraftstoffs stattfindet. Der Porenkörper dieser
bekannten Brennkraftmaschinen soll entweder in einer an der Kolbenkrone ausgebildeten
Vertiefung oder an den feststehenden Gehäusewänden des Kompressions- und
Verbrennungsraums angeordnet sein.
In der deutschen Offenlegungsschrift 24 16 804 A1 ist eine Kolben-Brennkraftmaschine
dargestellt, die mit einem vom Hauptbrennraum abgesonderten Raum ausgebildet ist.
Dabei kann der gesonderte Raum in einer Vorkammer im Zylinderkopf angeordnet sein.
Eine in dem gesonderten Raum angeordnete gasdurchlässige Struktur soll eine
Aufbereitung des eingespritzten Kraftstoffs bewirken und die Verbrennung verbessern. Als
Hauptbrennraum dient der vom Kolben und Zylinder gebildete Kompressionsraum.
Bei Brennkraftmaschinen, bei denen die Verbrennung von Kraftstoff und Luft zumindest
teilweise in einem im Kompressions- und Verbrennungsraum angeordneten oder an diesen
angrenzenden Porenkörper erfolgt, besteht eine Schwierigkeit darin, dass während des
Gaswechsels ein starker Wärmeeintrag in das Frischgas erfolgt. Dies führt zu einer
geringeren Frischgasladung, einer erhöhten Kompressionsarbeit und einer
Verschlechterung des Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine. Weitere nachteilige Folgen
sind eine erhöhte thermische und mechanische Belastung der Komponenten der
Brennkraftmaschine im Bereich des Kompressionsraums.
Die Aufgabe der Erfindung ist es eine verbesserte Brennkraftmaschine der
vorausgesetzten Art zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebene
Brennkraftmaschine gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen
Brennkraftmaschine sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Durch die Erfindung wird eine Brennkraftmaschine mit einem durch feststehende
Gehäusewände und einen darin beweglich angeordneten Kolben begrenzten
Kompressionsraum und mit einem Porenkörper, in welchem die Verbrennung von
Kraftstoff und Luft zumindest teilweise erfolgt, geschaffen. Erfindungsgemäß ist es
vorgesehen, dass der Porenkörper innerhalb einer Brennkammer angeordnet ist, welche
von dem Kompressionsraum bis auf einen Überströmquerschnitt zum Überströmen der bei
der Verbrennung entstehenden Brenngase von der Brennkammer in den
Kompressionsraum getrennt ist, wobei der Überströmquerschnitt wesentlich kleiner als
die Querschnittsfläche der Brennkammer ist.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist, dass beim
Gaswechsel und während der Kompression ein wesentlich geringerer Wärmeeintrag in das
Frischgas erfolgt, verbunden mit einer besseren Frischgasbeladung und einem höheren
Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine. Ein weiterer Vorteil ist eine geringere thermische
und mechanische Belastung der Brennkraftmaschine im Bereich des Kompressionsraums.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht es vor, dass der
Überströmquerschnitt durch eine Überströmdüse gebildet ist, zu welcher sich die
Brennkammer in Richtung der Brenngasströmung verjüngt. Ein Vorteil dieser
Ausführungsform ist es, dass der Überströmquerschnitt der Überströmdüse in Hinblick auf
einen geringen Wärmeeintrag in Richtung zur Kompressionskammer klein ist, ohne dass
sich wesentliche Druckverluste für die von der Brennkammer in den Kompressionsraum
überströmenden Brenngase ergeben.
Die Brennkammer hat vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt, insbesondere ist sie
vorzugsweise zylinderförmig.
Die Überströmdüse hat vorzugsweise ebenfalls einen kreisförmigen Querschnitt.
Vorzugsweise sind die Brennkammer und die Überströmdüse durch ein einziges Bauteil
einstückig gebildet.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist das die Brennkammer und die
Überströmdüse bildende Bauteil einschließlich des Porenkörpers separat austauschbar.
Dies ist vorteilhaft im Hinblick auf einen geringen Wartungsaufwand der
Brennkraftmaschine.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Kraftstoffinjektor zum
Einspritzen des Kraftstoffs in die Brennkammer vorgesehen.
Vorzugsweise ist der Kraftstoffinjektor mittels einer Einspritzdüse des Kraftstoffinjektors
direkt in den Porenkörper einspritzbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Einspritzdüse des
Kraftstoffinjektors dem Überströmquerschnitt bzw. der Überströmdüse in der
Brennkammer gegenüberliegend angeordnet.
Vorzugsweise ragt der Kraftstoffinjektor an dem dem Überströmquerschnitt bzw. der
Überströmdüse gegenüberliegenden Ende in die Brennkammer hinein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Porenkörper mittels eines
Niederhalters in der Brennkammer gehalten, wobei die Einspritzdüse des
Kraftstoffinjektors durch eine Öffnung des Niederhalters in die Brennkammer bzw. in den
Porenkörper hineinragt.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bildet die
Brennkammer zusammen mit dem Porenkörper und mit dem Kraftstoffinjektor ein
austauschbares Modul. Dies ist wiederum vorteilhaft im Hinblick auf einen geringen
Wartungsaufwand für die Brennkraftmaschine.
Vorzugsweise ist zwischen dem Porenkörper und der Innenwand der Brennkammer eine
thermisch isolierende Schicht angeordnet.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die den
Porenkörper beherbergende Brennkammer im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine
vorgesehen.
Insbesondere ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Brennkammer bezüglich des
Kolbens zentral angeordnet im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine vorgesehen ist.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figur erläutert.
Die Figur zeigt eine seitliche Schnittansicht eines Teils einer Brennkraftmaschine, der
einen durch feststehende Gehäusewände und einen darin beweglich angeordneten Kolben
begrenzten Kompressions- und Verbrennungsraum und einen in einer separaten
Brennkammer angeordneten Porenkörper, in welchem die Verbrennung von Kraftstoff und
Luft zumindest teilweise erfolgt, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
In der Figur ist in der Querschnittsansicht ein Teil einer Brennkraftmaschine in Form einer
Hubkolbenmaschine mit einem Kompressionsraum 3 gezeigt, der durch feststehende
Gehäusewände 1, 2 und einen beweglich angeordneten Kolben 5 gebildet ist. Die
feststehenden Gehäusewände 1, 2 sind durch einen den Kolben 5 führenden Zylinder 1
und einen Zylinderkopf 2 gebildet. Ein Kraftstoffinjektor 10 dient zum Einspritzen von
Kraftstoff, welcher beim Betrieb der Brennkraftmaschine zusammen mit ebenfalls dieser
zugeführter Verbrennungsluft verbrannt wird.
Von dem Kompressionsraum 3 getrennt angeordnet ist eine Brennkammer 6 vorgesehen,
in welcher ein Porenkörper 4 vorgesehen ist, in welchem die Verbrennung von Kraftstoff
und Luft zumindest teilweise erfolgt. Die Brennkammer 6 ist von dem Kompressionsraum
3 bis auf einen Überströmquerschnitt in Form einer Überströmdüse 8 getrennt
ausgebildet. Die Überströmdüse 8 dient zum Überströmen der bei der Verbrennung
entstehenden Brenngase von der Brennkammer 6 in den Kompressionsraum 3. Die
Überströmdüse 8 hat einen wesentlich kleineren Überströmquerschnitt als die
Querschnittsfläche der Brennkammer 6. Die Brennkammer 6, die einen kreisförmigen
Querschnitt hat und in ihrer Grundform im wesentlichen zylinderförmig ist, verjüngt sich in
Richtung der zu dem Kompressionsraum 3 strömenden Brenngase zu der Überströmdüse
8 hin. Die Überströmdüse 8 hat ebenfalls einen kreisförmigen Querschnitt.
Wie aus der Figur ersichtlich ist, sind die Brennkammer 6 und die Überströmdüse 8 durch
ein einziges gemeinsames Bauteil einstückig ausgebildet. Dieses die Brennkammer 6 und
die Überströmdüse 8 bildende Bauteil ist, einschließlich des in der Brennkammer 6
untergebrachten Porenkörpers 4, separat austauschbar.
Das die Brennkammer 6 und die Überströmdüse 8 bildende Bauteil ist aus einem
hochwarmfesten Material hergestellt.
Zwischen dem Porenkörper 4 und der Innenwand der Brennkammer 6 ist eine thermisch
isolierende Schicht 7 angeordnet.
Der zum Einspritzen des Kraftstoffs dienende Kraftstoffinjektor 10 ragt an dem der
Überströmdüse 8 gegenüberliegenden Ende in die Brennkammer 6 hinein, und die
Einspritzdüse 11 des Kraftstoffinjektors 10 ist so angeordnet, dass sie den Kraftstoff an
dem der Überströmdüse 8 gegenüberliegenden Ende in den Porenkörper 4 einspritzt. Der
in den Porenkörper 4 eingespritzte Kraftstoff entzündet sich in diesem und verbrennt
zusammen mit bei der Kompression vom Kompressions- und Verbrennungsraum 3 in die
Brennkammer 6 hineingedrückter Verbrennungsluft. Die bei der Verbrennung
entstehenden Brenngase treten durch die Überströmdüse 8 in den Kompressionsraum 3
über und leisten beim Arbeitstakt der Brennkraftmaschine Expansionsarbeit am Kolben 5.
Der Porenkörper 4 ist mittels eines Niederhalters 9 in der Brennkammer 6 gehalten. In
dem Niederhalter 9 ist eine Öffnung ausgebildet, durch welche die Einspritzdüse 11 des
Kraftstoffinjektors 10 in die Brennkammer 6 bzw. in den Porenkörper 4 hineinragt.
Die Brennkammer 6 bildet zusammen mit dem Porenkörper 4 und dem Kraftstoffinjektor
10 ein austauschbares Modul, welcher ein- und ausgebaut werden kann, ohne den
Zylinderkopf 2 entfernen zu müssen.
Wie ersichtlich ist, ist die Brennkammer 6 bezüglich des Kolbens 5 zentral im Zylinderkopf
2 angebracht.
1
Gehäusewand (Zylinder)
2
Gehäusewand (Zylinderkopf)
3
Kompressionsraum
4
Porenkörper
5
Kolben
6
Brennkammer
7
Isolierung
8
Überströmquerschnitt
9
Niederhalter
10
Kraftstoffinjektor
11
Einspritzdüse
Claims (16)
1. Brennkraftmaschine mit einem durch feststehende Gehäusewände (1, 2) und einen
darin beweglich angeordneten Kolben (5) begrenzten Kompressionsraum (3) und mit
einem Porenkörper (4), in welchem die Verbrennung von Kraftstoff und Luft erfolgt, wobei
der Porenkörper (4) innerhalb einer Brennkammer (6) angeordnet ist, welche von dem
Kompressionsraum (3) bis auf einen Überströmquerschnitt (8) zum Überströmen der bei
der Verbrennung entstehenden Brenngase von der Brennkammer (6) in den
Kompressionsraum (3) getrennt ist, wobei der Überströmquerschnitt (8) kleiner als die
Querschnittsfläche der Brennkammer (6) ist, dadurch gekennzeichnet, dass der
Porenkörper (4) die Brennkammer (6) ausfüllt.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der
Überströmquerschnitt (8) durch eine Überströmdüse gebildet ist, zu welcher sich die
Brennkammer (6) in Richtung der Brenngasströmung verjüngt.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Brennkammer (6) einen kreisförmigen Querschnitt hat, insbesondere zylinderförmig ist.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die
Überströmdüse (8) einen kreisförmigen Querschnitt hat.
5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
dass die Brennkammer (6) und die Überströmdüse (8) durch ein einziges Bauteil einstückig
gebildet sind.
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das die
Brennkammer (6) und die Überströmdüse (8) bildende Bauteil einschließlich des
Porenkörpers(4) separat austauschbar ist.
7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
dass ein Kraftstoffinjektor (10) zum Einspritzen des Kraftstoffs in die Brennkammer (6)
vorgesehen ist.
8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der
Kraftstoffinjektor (10) eine Einspritzdüse (11) aufweist, mit der der Kraftstoff direkt in den
Porenkörper (4) einspritzbar ist.
9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die
Einspritzdüse (11) des Kraftstoffinjektors (10) dem Überströmquerschnitt bzw. der
Überströmdüse (8) in der Brennkammer (6) gegenüberliegend angeordnet ist.
10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
dass der Kraftstoffinjektor (10) an dem dem Überströmquerschnitt bzw. der
Überströmdüse (8) gegenüberliegenden Ende in die Brennkammer (6) hineinragt.
11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der
Porenkörper (4) mittels eines Niederhalters (9) in der Brennkammer (6) gehalten ist, wobei
die Einspritzdüse (11) des Kraftstoffinjektors (10) durch eine Öffnung des Niederhalters (9)
in die Brennkammer (6) bzw. in den Porenkörper (4) hineinragt.
12. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
dass die Brennkammer (6) zusammen mit dem Porenkörper (4) und mit dem
Kraftstoffinjektor (10) ein austauschbares Modul bildet.
13. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen dem Porenkörper (4) und der Innenwand der Brennkammer (6) eine
thermisch isolierende Schicht (7) angeordnet ist.
14. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
dass die den Porenkörper (4) beherbergende Brennkammer (6) im Zylinderkopf der
Brennkraftmaschine vorgesehen ist.
15. Brennkraftmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die
Brennkammer (6) bezüglich des Kolbens (5) zentral angeordnet im Zylinderkopf der
Brennkraftmaschine vorgesehen ist.
16. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet,
dass die Brennkammer (6) eine wesentlich kleinere Querschnittsfläche als der
Kompressionsraum (3) aufweist.
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