DE4404899A1 - Zweistoff-Brennkraftmaschine - Google Patents

Zweistoff-Brennkraftmaschine

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Description

Die Erfindung betrifft eine Zweistoff-Brennkraftmaschine mit Zündung des Arbeitskraftstoffes durch Selbstzündung eines über eine Einspritzdüse in eine Vorkammer eingebrachten zusätzlichen Kraftstoffes, wobei die Vorkammer zumindest eine Strömungsverbindung zum Zylinderraum aufweist, sowie ein Verfahren zur Inbetriebnahme einer solchen Zweistoff-Brennkraftmaschine.
Zweistoff-Brennkraftmaschinen, bei denen der beispielsweise gasförmige Arbeitskraftstoff durch eine kleine Menge selbstentzündenden Zusatzkraftstoffes, z. B. 5% bis 10% Diesel, entzündet wird, sind bekannt. Dabei wird der gasförmige Arbeitskraftstoff entweder unter niedrigem Druck dem Ansaugrohr zugesetzt oder unter hohem Druck direkt in den Zylinderraum eingeblasen.
Um die bei derartigen Zweistoff-Brennkraftmaschinen entstehende relativ hohe NOx-Emission zu vermindern, wird in der Literaturstelle "DEVELOPMENT OF A HIGH OUTPUT DUAL FUEL ENGINE", Paul R. DANYLUK, American Society of Mechanical Engineers, 16th Annual Energy Sources Technology Conference at Houston Texas, USA, 31. January 1993, eine Zweistoff-Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art vorgeschlagen. Dabei wird zusätzlich zu einer direkt in den Zylinderraum mündenden Haupteinspritzdüse eine in die Vorkammer mündende Nebeneinspritzdüse verwendet, welche eine kleine Menge, etwa 0,2 bis 2% der gesamten Kraftstoffmenge in die Vorkammer einspritzt. Die dadurch entstehende Verbrennung in der Vorkammer entzündet den Arbeitskraftstoff im Hauptbrennraum. Dadurch kann, neben der NOx-Emission auch der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden. Normalerweise wird die Zweistoff-Brennkraftmaschine allein mit Diesel gestartet und nach Warmlaufen in den Zweistoff-Betrieb mit Gas und Diesel umgeschaltet. Der Nachteil dieser Konstruktion ist, daß neben der Nebeneinspritzdüse eine Haupteinspritzdüse für die Startphase verwendet werden muß, welche entweder mit einer eigenen Kraftstoffpumpe oder mit der die Haupteinspritzdüse versorgende Kraftstoffpumpe strömungsverbunden ist. Die zusätzlich benötigte Haupteinspritzdüse, welche nach der Kaltlaufphase desaktiviert wird, ist eine relativ aufwendige und kostenintensive Lösung.
In der US-PS 4 966 103 wird eine ähnliche Zweistoff-Brennkraftmaschine beschrieben, wobei zusätzlich zu einer mittig angeordneten Haupteinspritzdüse mehrere, jeweils in eine eigene Drallkammer mündende Nebeneinspritzdüsen angeordnet sind. Auch diese Drallkammern haben die Funktion eines Vorbrennraumes, um die Zündung des Gas-Diesel-Gemisches im Hauptbrennraum einzuleiten. Derartige Drallkammern können extern beheizt sein, um die Entzündung des Kraftstoffes in der Startphase zu beschleunigen. Nachteilig ist auch hier, daß neben der Haupteinspritzdüse mindestens eine Nebeneinspritzdüse nötig ist, wodurch die Fertigung und Steuerung der Kraftstoffeinspritzdüsen relativ aufwendig ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden, und den zur Inbetriebnahme einer Zweistoff-Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art notwendigen Aufwand zu vermindern.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß in der Vorkammer eine vom Strahl des eingespritzten zusätzlichen Kraftstoffes zumindest teilweise anströmbare Glühkerze vorgesehen ist. Die Einspritzdüse ist dabei als Haupteinspritzdüse ausgelegt, wodurch es möglich ist, auf weitere Einspritzdüsen zu verzichten. Im Gegensatz zu bekannten Zweistoff-Brennkraftmaschinen, bei welchen die Haupteinspritzdüse nach der Startphase abgeschaltet wird, bleibt bei der vorliegenden Erfindung die Einspritzdüse auch nach der Kaltlaufphase in Betrieb. Während der Start- und Kaltlaufphase des Motors wird die Glühkerze in der Vorkammer aktiviert. Nach oder während der Aktivierung der Glühkerze wird sodann das in der Vorkammer durch den von einem Startmechanismus durchgeführten Verdichtungshub des Kolbens verdichtete Zusatzkraftstoff/Luftgemisch verdichtet und an der Glühkerze entzündet.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, daß die Einspritzdüse mehrstrahlig ausgeführt ist, wobei zumindest ein Strahl auf die Glühkerze gerichtet ist. Genauso ist es möglich, die Einspritzdüse einstrahlig auszuführen und die Glühkerze von einem Teil des Einspritzstrahles zu benetzen.
Eine rasche Entzündung des Arbeitskraftstoffes durch den Zusatzkraftstoff wird dadurch erreicht, daß die Vorkammer im Bereich der Zylinderachse angeordnet ist, wobei vorzugsweise die Längsachse der Vorkammer mit der Zylinderachse zusammenfällt. In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, daß die Einspritzdüse achsgleich mit der Zylinderachse angeordnet ist. Durch diese zentrische Anordnung der Einspritzdüse wird erreicht, daß die Verbrennung des Kraftstoffes im den Hauptbrennraum bildenden Zylinderraum im Bereich der Zylinderachse eingeleitet wird.
Genauso kann aber vorgesehen sein, daß die Einspritzdüse distanziert und/oder geneigt zur Zylinderachse angeordnet ist. Diese Anordnung ist insbesondere bei kleineren Zweistoff- Brennkraftmaschinen von Vorteil, wo eine zentrische Anordnung der Einspritzdüse nur mit hohem konstruktivem Aufwand möglich ist. Die Achse der Einspritzdüse kann dabei zu der Zylinderachse parallel und/oder in einem Winkel geneigt sein.
Als sehr günstig für die Einleitung der Zündung in den Zylinderraum hat sich erwiesen, wenn mindestens ein Kraftstoffstrahl auf einen die Strömungsverbindung(en) aufweisenden Übergangsbereich der Vorkammer zum Zylinderraum gerichtet ist, wobei vorzugsweise die Strömungsverbindung(en) etwa symmetrisch zum Kraftstoffstrahl angeordnet ist (sind).
In einer äußerst vorteilhaften Ausführungsvariante ist vorgesehen, daß die Achse der Glühkerze parallel zur Achse der Einspritzdüse angeordnet ist. Dies ermöglicht es, Einspritzdüse und Glühkerze von derselben Flanschfläche ausgehend im Zylinderkopf zu befestigen, wodurch nur eine Flanschfläche bearbeitet werden muß.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung schließt die Achse der Glühkerze mit der Achse der Einspritzdüse einen vorzugsweise spitzen Winkel ein. Dies ermöglicht es, die Lage von Einspritzdüse und Glühkerze zueinander in der Ausnützung des im Zylinderkopf vorhandenen Raumangebotes auf eine rasche Zündung des Brennstoffes abzustimmen.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 bis 4 mögliche Ausführungsvarianten der Erfindung im Längsschnitt durch Zylinder und Zylinderkopf.
Funktionsgleiche Bauteile sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt eine Zweistoff-Brennkraftmaschine 1 mit einer im Zylinderkopf 2 zentral angeordneten Vorkammer 3, in welche eine mit der Achse 4 des Zylinders 5 achsgleiche Einspritzdüse 6 Kraftstoff einspritzt. Parallel zur Einspritzdüse 6 ist eine in die Vorkammer 3 hineinragende Glühkerze 8, deren Achse mit 9 bezeichnet ist, im Zylinderkopf 2 von der gleichen Flanschfläche 10 wie die Einspritzdüse 6 eingeschraubt. Die Einspritzdüse 6 ist als Zwei- oder Mehrlochdüse 11 ausgeführt, wobei ein Kraftstoffstrahl 12 auf die heiße Spitze 13 der Glühkerze 8 gerichtet ist. Ein anderer Kraftstoffstrahl 14 der Einspritzdüse 6 ist auf einen kalottenförmig ausgebildeten Übergangsbereich 17 gerichtet, in welchem Strömungsverbindungen 15 zum Zylinderraum 16 vorgesehen sind. Strömungsverbindungen 15 sind dabei etwa symmetrisch zu diesem Kraftstoffstrahl 14 angeordnet.
Während der Start- und Kaltlaufphase der Zweistoff-Brennkraftmaschine 1 wird die Glühkerze 8 aktiviert, wodurch sich der auf die Glühkerze 8 gerichtete Kraftstoffstrahl 12 während eines von einem nicht weiter eingezeichneten Startmechanismus durchgeführten Verdichtungshub des Kolbens 19 entzündet. Die daraufhin entstehende Flammenfront gelangt durch die Strömungsverbindung 15 in den Zylinderraum 16 und entzündet hier den Arbeitskraftstoff. Bei betriebswarmem Motor entzündet sich der Zusatzkraftstoff vor allem am heißen Übergangsbereich 17, sodaß die Glühkerze desaktiviert werden kann.
Fig. 2 unterscheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten Konstruktion nur dadurch, daß die Achse 9 der Glühkerze 8 mit der Achse 7 einen, vorzugsweise spitzen, Winkel α einschließt. Dies ermöglicht eine gewisse Flexibilität in der Anordnung der Glühkerze 8 in Bezug zur Einspritzdüse 6 und gestattet es einerseits das vorhandene Raumangebot des Zylinderkopfes 2 optimal auszunützen und andererseits die Zündung des über den Kraftstoffstrahl 12 eingespritzten Kraftstoffes durch Optimieren der Entfernung zwischen Spitze 13 der Glühkerze 8 und Einspritzdüse 6 zu verbessern.
Besonders bei kleineren Zweistoff-Brennkraftmaschinen ist eine zentrische Anordnung der Einspritzdüse 6 bezüglich des Zylinders 5 nicht immer möglich. Eine bessere Ausnützung des vorhandenen Raumangebots wird erreicht, wenn die Achse 7 der Einspritzdüse 6 distanziert zur Zylinderachse 4, angeordnet ist, wie aus Fig. 3 hervorgeht. Mit 20 ist die geringfügige Exzentrizität der Einspritzdüse 6 bezüglich der Vorkammerachse 3a bezeichnet. Neben einer zentrischen Anordnung ist genauso auch eine leicht bezüglich der Zylinderachse 4 geneigte Anordnung der Einspritzdüse 6 denkbar.
Die in Fig. 4 gezeigte Konstruktion unterscheidet sich von Fig. 3 nur dadurch, daß die Einspritzdüse 6 einstrahlig ausgeführt ist, wobei die Glühkerze 8 von einem Teil des Einspritzstrahles 14 benetzt wird.

Claims (9)

1. Zweistoff-Brennkraftmaschine mit Zündung des Arbeitskraftstoffes durch Selbstzündung eines über eine Einspritzdüse in eine Vorkammer eingebrachten Kraftstoffes, wobei die Vorkammer zumindest eine Strömungsverbindung zum Zylinderraum aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vorkammer (3) eine vom Strahl (12, 14) des eingespritzten zusätzlichen Kraftstoffes zumindest teilweise anströmbare Glühkerze (8, 8′) vorgesehen ist.
2. Zweistoff-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse (6) mehrstrahlig ausgeführt ist, wobei zumindest ein Strahl (12) auf die Glühkerze (8, 8′) gerichtet ist.
3. Zweistoff-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkammer (3) im Bereich der Zylinderachse (4) angeordnet ist, wobei vorzugsweise die Längsachse (3a) der Vorkammer (3) mit der Zylinderachse (4) zusammenfällt.
4. Zweistoff-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse (6) achsgleich mit der Vorkammerachse (3a) angeordnet ist.
5. Zweistoff-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse (6) distanziert und/oder geneigt zur Vorkammerachse (4a) angeordnet ist.
6. Zweistoff-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Kraftstoffstrahl (14) auf einen die Strömungsverbindung(en) (15) aufweisenden Übergangsbereich (17) der Vorkammer (3) zum Zylinderraum (16) gerichtet ist, wobei vorzugsweise die Strömungsverbindung(en) (15) etwa symmetrisch zum Kraftstoffstrahl (14) angeordnet ist (sind).
7. Zweistoff-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (13) der Glühkerze (8) parallel zur Achse (7) der Einspritzdüse (6) angeordnet ist.
8. Zweistoff-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (13′) der Glühkerze (8′) mit der Achse (7) der Einspritzdüse (6) einen, vorzugsweise spitzen, Winkel (α) einschließt.
9. Verfahren zur Inbetriebnahme einer Zweistoff-Brennkraftmaschine mit Zündung des Arbeitskraftstoffes durch Selbstzündung eines durch eine Einspritzdüse in eine Vorkammer während eines von einem Startmechanismus durchgeführten Verdichtungshub des Kolbens eingebrachten zusätzlichen Kraftstoffes, dadurch gekennzeichnet, daß während der Start- und Kaltlaufphase eine Glühkerze in der Vorkammer aktiviert und während des Verdichtungshubes von einem Kraftstoffstrahl angespritzt wird, welcher sich daraufhin an der Glühkerze entzündet.
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