DE10118315C2

DE10118315C2 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10118315C2
Application number: DE10118315A
Authority: DE
Inventors: Arne Schneemann; Ralf Speetzen; Georg Donauer
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2001-04-11
Filing date: 2001-04-11
Publication date: 2003-02-20
Anticipated expiration: 2021-04-12
Also published as: US6725824B2; WO2002099258A1; WO2002099258A8; DE10118315A1; EP1379762A1; US20030183192A1; JP2004521239A

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.

Bezugszeichenliste

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

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.