AT410007B

AT410007B - Zündeinrichtung

Info

Publication number: AT410007B
Application number: AT0170397A
Authority: AT
Original assignee: Jenbacher Ag
Priority date: 1997-10-08
Filing date: 1997-10-08
Publication date: 2003-01-27
Also published as: ATA170397A

Description

AT 410 007 B

Die Erfindung betrifft eine Zündeinrichtung für einen Verbrennungsmotor, insbesondere für einen mehrzylindrigen Gasottomotor, welche pro Zylinder eine mit dem Hauptbrennraum oder einer Vorkammer desselben über ein Steuerventil zeitweise verbindbare Zündkammer aufweist, in der aus dem Hauptbrennraum bzw. der Vorkammer bei geöffnetem Ventil eintretendes, verdichtetes Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet wird, wobei in die Zündkammer eine Gaszufuhrleitung zum Zuführen eines Gases oder Gasgemisches mündet.

Weiters bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung eines pyrolysierten Treibgases als Zündfluid zur Zündung eines komprimierten Treibstoff-Luft-Gemisches in einem Gasottomotor.

Die ersten Kolbenmotoren mit innerer Zündung basierten auf sogenannten atmosphärischen Maschinen. Diese hatten eine offene Zündflamme, wobei im Bereich des oberen Totpunktes (OT) des Kolbens atmosphärische Bedingungen im Zylinder vorherrschen. Durch einen Plattenschieber wurde der Zündkanal für kurze Zeit freigegeben, wobei die Zündflamme kurz nach OT in den Brennraum gesaugt wurde und das zündfähige Gemisch im Zylinder entzündete. Der Plattenschieber diente zugleich als Rückschlagventil, um die Zündflamme nicht auszublasen. Da die Wirkungsgrade des atmosphärischen Motors sehr bescheiden waren, wurde bereits 10 Jahre vor dem offiziellen Erfinder des (Otto-)Motors der Verbrennungsmotor mit verdichtetem Gas-Luft-Gemisch erfunden. Dieser Motor hatte zur Einleitung der Zündung eine sogenannte Glühröhrchenzündung. Das Glühröhrchen wurde extern mit einer Bunsenbrennflamme beheizt.

Die zündfähige Ladung des Zylinderrohres wurde während des Kompressionstaktes in das Glühröhrchen geschoben. Bei OT erfolgt die Berührung des zündfähigen Gases mit der heißen Innenwand des Zündröhrchens. Die dadurch ausgelöste Zündung breitet sich dann selbständig überden Schußkanal in den Hauptbrennraum aus.

Bekannt ist weiters aus der EP 0 145 796 A1 ein Verbrennungsmotor, bei dem eine bestimmte Kraftstoffmenge in den gasförmigen Zustand übergeführt und in eine vom Hauptbrennraum getrennte Zündkammer eingeleitet wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Zündeinrichtung zu schaffen, mit der sich das Kraftstoff-Luft-Gemisch in einem Verbrennungsmotor mit Fremdzündung unter Vermeidung einer elektrischen Zündung zuverlässig und exakt zünden läßt.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß - wie an sich bekannt - Mittel zur Pyrolyse des über die Gaszufuhrleitung zugeführten Gases bzw. Gasgemisches vorgesehen sind und daß diese Mittel zur Pyrolyse in der Zündkammer angeordnet sind.

Die Pyrolyse von Treibgas für einen Verbrennungsmotor ist an sich bereits bekannt, beispielsweise aus der US 4,362,137 A. Dort ist eine externe Pyrolysezelle vorgesehen, die dazu dient, aus dem zugeführten Treibgas Wasserstoff abzuspalten. Das Wasserstoff-Gas-Gemisch wird dann gekühlt, bevor es in den eigentlichen Hauptbrennraum gelangt.

Im Gegensatz dazu erfolgt beim Erfindungsgegenstand die Pyrolyse direkt in einer Zündkammer, die über ein Steuerventil zeitweise mit dem Hauptbrennraum bzw. einer Vorkammer verbindbar ist. Dadurch wird die Zündfreudigkeit des mittels der Pyrolyse aufgespalteten und zerlegten Gases oder Gasgemisches direkt ausgenutzt und somit innerhalb der wohl definierten Verhältnisse in der Zündkammer eine präzise vorhersagbare Zündung erreicht.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind in der Zündkammer heiße Oberflächen, vorzugsweise mit einer Temperatur von über 800°C, vorgesehen. Dies führt einerseits zur Pyrolyse des über die Gaszufuhrleitung zugeführten Gases bzw. Gasgemisches, wobei zusätzlich das durch das offene Steuerventil einströmende Treibgas-Luft-Gemisch aus der Vorkammer bzw. aus dem Hauptbrennraum ebenfalls mit den heißen Oberflächen in der Zündkammer in Berührung kommt. Insgesamt kommt es somit zu einer sicheren Zündung, die sich nach dem Druckanstieg in der Zündkammer durch das geöffnete Steuerventil in die Vorkammer bzw. den Hauptbrenn raum ausbreitet und dort das komprimierte Kraftstoff-Luft-Gemisch verläßlich zündet.

Ganz allgemein betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung die Verwendung eines pyrolisierten Treibgases als Zündfluid zur Zündung eines komprimierten Treibgas-Luft-Gemisches in einem Gasottomotor.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der nachstehenden Figurenbeschreibung näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt schematisch einen Gasottomotor mit Ausführungsbeispielen einer Zündeinrichtung gemäß der Erfindung. 2

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Die Fig. 2 zeigt den Zylinderkopfbereich eines Zylinders eines Gasottomotors mit einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung in einem schematischen Längsschnitt.

Die Fig. 3a zeigt die Öffnungs- und Schließzeiten des Einlaß- und Auslaßventiles in den Hauptbrennraum des Gasottomotors.

Die Fig. 3b zeigt die Öffnungs- und Schließzeiten des hydraulisch gesteuerten Steuerventiles.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen vierzylindrigen Gasottomotor M. Dieser wird über eine Treibgashauptleitung 10 und einen Gasmischer 11 über die schematisch dargestellte Ansaugleitung 12 mit einem Treibgas-Luft-Gemisch versorgt, das wie üblich über geöffnete Einlaßventile in die jeweiligen Hauptbrennräume der einzelnen hier nicht näher dargestellten Zylinder gelangt.

Zur Zündung des komprimierten Treibgas-Luft-Gemisches im einzelnen Zylinder ist pro Zylinder eine spezielle Zündkammer vorgesehen, die später anhand der Fig. 2 noch näher erläutert werden wird. Diese Zündkammer 1, welche in Fig. 1 nur stark schematisiert dargestellt sind, werden erfindungsgemäß über Gaszufuhrleitungen 9 mit einem Gas bzw. Gasgemisch versorgt. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Gasgemisch aus dem Treibgas und Luft in einem unterstöchiometrischen Verhältnis, wobei die Gasmischung im Mischer 14 erfolgt. Dieses Ausführungsbeispiel hat den großen Vorteil, daß man als Zündfluid nicht eine zweite Treibstoffart, beispielsweise Diesel, zuführen muß, sondern das ohnehin vorhandene Treibgas selbst verwendet werden kann.

Das neuartige Konzept baut auf dem ersten ottomotorischen Zündungskonzept mit einem über ein Ventil geregelten Zündröhrchen auf. Der wesentliche Unterschied besteht gemäß Fig. 2 in der Spülung der Zündkammer 1 mit einem Gas, insbesondere Treibgas, und im speziellen Fall mit einem weit unterstöchiometrischen Treibgas-Luft-Gemisch, wobei das Gasgemisch über eine Gaszufuhrleitung 9 und ein Rückschlagventil 13 einströmt. Das in die Zündkammer eingeströmte Gasgemisch wird an der heißen Oberfläche teilweise zu H2, CO pyrolisiert. Zusätzliche Zündquellen entstehen dabei durch anfallende C-Partikel von Zwischenreaktionen des Crackprozesses (Kracken).

Zum gewünschten Zeitpunkt öffnet das hydraulisch betätigte Steuerventil 2. Zu diesem Zeitpunkt herrscht im Fall der Vollast im Hauptbrennraum 6 und in der Vorkammer 3 ein Druck von ca. 100 bar. Durch den schlagfertig freigegebenen Ventilquerschnitt 4 strömt dann das 02-reiche, zündfähige Treibgas-Luft-Gemisch in die Zündkammer 1. Durch das hohe Druckgefälle zwischen der Zündkammer 1 und der Vorkammer 3 durchläuft ein Verdichtungsstoß die Zündkammer 1 mit Temperaturen, die weit über den Selbstzündgrenzen des in der Zündkammer 1 befindlichen Gasgemisches liegen. Zusätzlich kommt gleichzeitig das zündfähige Treibstoff-Luft-Gemisch mit den heißen Wandungen 17 der Zündkammer 1 in Berührung. Durch beide Effekte wird das eingeströmte Treibstoff-Luft-Gemisch sicher entzündet. Nach dem Druckanstieg durchströmt der Flammenball den Spalt 4 des geöffneten Steuerventils 2 und entzündet das Gemisch in der äußeren Vorkammer 3 und von dort das Gemisch im Hauptbrennraum 6.

Nachdem die Verbrennung im Hauptbrennraum 6 abgeschlossen ist und der Druck nach dem öffnen des Auslaßventiles 7 den kleinsten Wert erreicht hat, schließt das Steuerventil 2. Dies ist günstig, um die vom Ventil 2 aufgenommene Wärme über den Ventilsitz 5 wieder abzugeben. Nach dem öffnen des Einlaßventiles 8 wird wieder das Steuerventil 2 geöffnet und die Spülung sowie die Füllung der Zündkammer 1 über die Gaszufuhrleitung 9 ermöglicht. Das in Fig. 3b dargestellte „Fenster" A der Spülung ist genau regelbar, um einerseits eine Überspülung der Zündkammer 1 in größerem Maß zu vermeiden und andererseits die HC-Emissionen zu senken. Diese Taktung hat in Folge der HC-Emissionsverbesserung ein Wirkungsgradverbesserungspotential von ca. 1 % Punkte.

Ebenso wie das Fenster A der Spülung läßt sich auch das Fenster B der Zündung, insbesondere der Beginn dieses Fensters, also der Zündzeitpunkt ZZP, über die Öffnungsdauer des hydraulisch gesteuerten Steuerventiles 1 exakt festlegen und damit ein reproduzierbarer perfekter Zündvorgang erzielen.

Die Fig. 3a und 3b zeigen also den Zeitablauf der Öffnung des Einlaßventiles 7, des Auslaßventiles 8 (Fig. 3a) und des Steuerventiles 1 (Fig. 3b), und zwar für einen 4-Taktmotor. Man sieht, daß sich während eines vier Takte dauernden Zyklus das Steuerventil 1 zweimal öffnet und schließt. Zunächst öffnet das Steuerventil 1 während des Kompressionstaktes kurz vor Erreichen 3

Claims

AT 410 007 B des oberen Totpunktes (Beginn des Fensters B). Während des Auspufftaktes wird das Steuerventil aus thermischen Gründen wieder zeitweise geschlossen und während des Ansaugtaktes bei geöffnetem Einlaßventil 7 wieder geöffnet, um eine Spülung und Füllung der Zündkammer 1 mit frischem Gasgemisch zu ermöglichen. Schließlich schließt das Steuerventil vor Beginn des Kompressionstaktes wieder. Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, beispielsweise ist es auch möglich, daß die Zündkammer über das Steuerventil direkt mit dem Hauptbrennraum 6 kommuniziert (ohne eine Vorkammer 3). Bei dem in Fig.
2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind als Mittel zur Pyrolyse des zugeführten Gasgemisches einerseits ein Glühstift 15 und andererseits ein Keramikstift 16 vorgesehen. Der beheizbare Glühstift 16, welcher beispielsweise Temperaturen von 900°C und darüber aufweisen kann, wird nur in der Startphase des Motors benötigt. Danach reicht die von den Zündvorgängen in der Zündkammer 1 hervorgerufene Wärme aus, um die Erhitzung des Keramikstiftes 16 und der Innenwände der Zündkammer 1 auf ausreichende Temperaturen sicherzustellen. Der Keramikstift 16 kann grundsätzlich auch entfallen, sodaß beim Betrieb nach der Startphase (bei abgeschaltetem Glühstift) im wesentlichen nur mehr die heißen Innenwände der Zündkammer aktiv sind und zur Zündung des über das geöffnete Steuerventil 2 einströmenden Treibgas-Luft-Gemisches bzw. zur Pyrolyse des über die Gaszufuhrleitung 9 einströmenden Gasgemisches beitragen. PATENTANSPRÜCHE: 1. Zündeinrichtung für einen Verbrennungsmotor, insbesondere für einen mehrzylindrigen Gasottomotor, welche pro Zylinder eine mit dem Hauptbrennraum oder einer Vorkammer desselben über ein Steuerventil zeitweise verbindbare Zündkammer aufweist, in der aus dem Hauptbrennraum bzw. der Vorkammer bei geöffnetem Ventil eintretendes, verdichtetes Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet wird, wobei in die Zündkammer (1) eine Gaszufuhrleitung (9) zum Zuführen eines Gases oder Gasgemisches mündet, dadurch gekennzeichnet, daß - wie an sich bekannt - Mittel zur Pyrolyse (15,16, 17) des über die Gaszufuhrleitung (9) zugeführten Gases bzw. Gasgemisches vorgesehen sind und daß diese Mittel zur Pyrolyse (15, 16, 17) in der Zündkammer (1) angeordnet sind. 2. Zündeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Pyrolyse mindestens einen in die Zündkammer (1) reichenden Glühstab (15) umfassen.
3. Zündeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Pyrolyse zumindest teilweise von der im Betrieb vorzugsweise auf über 800°C liegenden Innenwand (17) der Zündkammer (1) gebildet sind.
4. Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Pyrolyse einen in die Zündkammer (1) reichenden, lediglich durch die Verbrennungen in der Zündkammer beheizten Stab (16), vorzugsweise Keramikstab, umfassen.
5. Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Pyrolyse (15, 16, 17) in der Zündkammer im Betrieb heiße Oberflächen mit Temperaturen über 800°C, vorzugsweise über 900°C, aufweisen.
6. Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gaszufuhrieitung (9), vorzugsweise in der Nähe der Mündungsstelle in die Zündkammer, ein Rückschlagventil (13) angeordnet ist.
7. Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (2) hydraulisch gesteuert ist.
8. Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das in die Zündkammer (1) geleitete Gasgemisch ein unterstöchiometrisches Gas-Luft-Gemisch ist, wobei der Lambdawert vorzugsweise unter 0,2 liegt.
9. Zündeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffgehalt des Gas-Luft-Gemisches unter 10 % liegt.
10. Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des zum Betrieb des Gasmotors verwendeten Treibgases über die Gaszufuhrleitung(en) (9) der bzw. den Zündkammer(n) (1) zugeführt wird. 4 AT 410 007 B
11. Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 für einen 4-Taktmotor, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (2) während des Kompressionstaktes kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes (OT) öffnet, während des Auspufftaktes zumindest teilweise geschlossen ist, während des Ansaugtaktes öffnet und vor Beginn des Kompressionstaktes wieder schließt.
12. Verwendung eines pyrolysierten Treibgases als Zündfluid zur Zündung eines komprimierten Treibstoff-Luft-Gemisches in einem Gasottomotor. HIEZU 3 BLATT ZEICHNUNGEN 5