AT413855B

AT413855B - Internal combustion engine

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 BAT 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.The invention relates to an internal combustion engine, in particular a gas engine, having a main combustion chamber connected to a pre-chamber body having an antechamber for initiating combustion, wherein the pre-chamber has a thermal insulation. 5 combustion processes with the prechamber are used, among other things, in lean (high air ratio) gas engines with a certain cylinder stroke volume. The advantage of a combustion introduction in the pre-chamber, rather than in the main combustion chamber is that even at high air conditions a low ignition energy sufficient to ensure efficient (with good efficiency) and yet low-emission combustion of the entire Zylinderla-io fertil (in pre-chamber and main combustion chamber).

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.The prechamber is fluidically connected to the main combustion chamber via one or more bores. The fuel gas / air mixture flows through one or more inlet valves in the main combustion chamber and is subsequently pushed during the compression process in the pre-chamber, so that in this a combustible mixture is available.

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.For the ignition of the fuel gas / air mixture electric spark ignition systems and Zündstrahlverfahren be applied. In the case of an electric spark ignition, pure fuel gas or a fuel gas / air mixture is often additionally introduced into the pre-chamber in order to have a much richer and thus more ignitable mixture at the point of incineration, compared to the main combustion chamber. While in the electrical ignition systems, the combustion is initiated by a flashover of a spark between the electrodes of a spark plug, in the Zündstrahlverfahren a small amount of liquid fuel is injected under high pressure in the antechamber. This ignites itself at sufficiently high compression temperatures and initializes the further combustion of the fuel gas / air mixture.

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.Instead of combustion initiation by a spark or by a liquid ignition jet, the combustion in the antechamber can also be initiated by a homogeneous self-ignition, as described in the Austrian Utility Model Application No. 354/2002.

Aus der Vorkammer strömen Flammenfackeln in den Hauptbrennraum und entflammen auch 35 das dort befindliche Brenngas/Luft-Gemisch.From the antechamber flaming torches flow into the main combustion chamber and also ignite the fuel gas / air mixture located there.

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.To achieve stable combustion in the prechamber, all concepts require a sufficiently high temperature level in the prechamber. 40 This applies in particular to gas engines with ignition jet methods and to concepts with homogeneous combustion in the prechamber. In order to auto-ignite the injected or injected ignition jet, the auto-ignition temperature must be exceeded. The temperature increase in the pre-chamber residual gas / fuel gas / air mixture results primarily from the compression process. Wall heat losses, however, again reduce the temperature of the gas mixture and thus make auto-ignition more difficult. Especially when starting a Zündstrahlmotors the wall heat losses are particularly high, which makes the engine start much more difficult.

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.But even with gas engines with electric ignition, with and without additional gas supply so (or gas / air mixture supply) lead to large wall heat losses to a poor combustion in the antechamber. Especially at high air conditions in the pre-chamber at the ignition time, this leads to a poor combustion.

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.EP 0 097 320 A2 discloses a vortex or vortex chamber for internal combustion engines, 55 which has an inner shaped body forming the inner space and an outer shaped body of ceramic material forming a thermal insulation which, by shrinking or gluing, externally with the inner molded body is connected. Prechambers with heat insulation on the outside of the pre-chamber body are also known from the publication DE 864 173 B. The disadvantage is that these known atria with thermal insulation 5 have an increased production cost. Despite insulation, the atria are mechanically and thermally heavily loaded. For retrofitting such insulated pre-chambers are less suitable.

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. 20DE 198 00 751 A1 shows an internal combustion engine with a main combustion chamber and a pre-combustion chamber into which a gas-fuel introduction opening opens. The pre-combustion chamber member is made of heat-resistant materials comprising ceramic materials, to form thermal insulation. An inserted into the pre-chamber insulation insert is not provided. DE 38 32 261 A1 describes a prechamber construction for an internal combustion engine having an antechamber which is formed by a ceramic body which has a receiving opening for a glow plug and which is inserted into a cavity of a metallic cylinder head provided for receiving a prechamber. On the ceramic body, a metal sleeve is taken care of. 20

Auch die US 5,065,714 zeigt eine Vorkammer, welche aus wärmeisolierendem Material besteht.Also US 5,065,714 shows a pre-chamber, which consists of heat-insulating material.

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.The object of the invention is to avoid these disadvantages and to reduce in an internal combustion engine of the type mentioned in the simplest possible way, the heat losses in the field of the prechamber.

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.According to the invention, this takes place in that the thermal insulation is formed by an insulating insert inserted into the prechamber and in that the prechamber body is formed in several parts and at least from a first part receiving the sleeve and a second part closing off the prechamber in the axial direction consists. Due to the resulting parting line between the sleeve and the actual prechamber body, the heat dissipation is difficult. In addition, there is the advantage that the thermal load of the actual pre-chamber body, which is already heavily stressed mechanically, reduced. The sleeve is advantageously made of a heat-resistant material 35 or more materials, for example, at least partially made of ceramic.

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.The introduction of the sleeve is easy to implement by simple adaptations to existing pre-chamber constructions, retrofitting in series befindlicher motors is therefore inexpensive possible. Particularly small measures are required if the sleeve is rotationally symmetrical, preferably cylindrical, and the prechamber is at least partially cylindrically shaped. Preferably, the sleeve is inserted into a recess, for example, produced by a milling or turning operation corresponding to the shape of the sleeve. In order to avoid a disturbance of the flows within the prechamber, it is provided in a particularly advantageous embodiment variant of the invention that the inner lateral surface of the sleeve adjoins the adjacent prechamber wall in a planar manner.

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.With the measures described for thermal insulation reaches the residual gas / fuel gas / air-50 mixture in the pre-chamber towards the end of the compression (just before the piston reaches top dead center) sufficiently high temperatures.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figur näher erläutert. 55 Die Figur zeigt eine erfindungsgemäße Vorkammer im Längsschnitt.The invention will be explained in more detail below with reference to FIG. 55 The figure shows a pre-chamber according to the invention in longitudinal section.

Claims

4 AT 413 855 B The pre-chamber 1 is arranged in the cylinder head 2 of an internal combustion engine, not shown. The interior 3 of the pre-chamber 1 opens through openings 4 in a main combustion chamber 5 of the internal combustion engine. 5 The prechamber 6 of the prechamber 1 is formed in several parts and consists of at least a first part 7 and a first part 7 in the axial direction final second part 8. The longitudinal axis of the prechamber 1 is denoted by 1a. The first part 7 spans the inner space 3 and has a cylindrical portion 9, in which a cylindrical recess 10 is formed, for example, by milling or turning. In the recess 10 of the first part 7 a formed by a cylindrical sleeve 11 thermal insulating insert 12 is used, which on the one hand reduces the heat losses and on the other hand reduces the thermal load of the pre-chamber body 6. The reduction of heat losses is realized on the one hand by the parting line 13 between 15 pre-chamber body 6 and insulator insert 12, on the other hand by the choice of a heat-resistant material with low thermal conductivity, such as ceramic. The inner circumferential surface 14 of the sleeve 11 connects as seamless as possible to the antechamber wall 15, so that disturbances in the flow and combustion process within the pre-chamber 20 are avoided. Via the second part 8, an injection valve and / or an ignition device can open into the interior 3 of the pre-chamber 1, as indicated by reference numerals 16 and 17. In Zündstrahlmotoren and engines with homogeneous combustion in the pre-chamber 1 25 can be ensured with this measure for heat insulation reliable auto-ignition and a stable, rapid combustion in the pre-chamber 1 and subsequently ensured in the main combustion chamber 5. In Zündstrahlmotoren a reduction in the required injection quantities of liquid fuel is possible, which advantages in the NOx emissions can be achieved. Also can be achieved by the better heat insulation of the prechamber 1 a better Startver-30 keep the engine, since the required for good ignition temperature levels are achieved faster. Advantages with regard to starting behavior, ignition and combustion can also be found in prechamber concepts with homogeneous combustion in the prechamber 1. Even with pre-chamber internal combustion engines with electric ignition, the stability and the speed of combustion in the pre-chamber 1 and thus also in the main combustion chamber 5 can be increased. 40 patent claims: 1. internal combustion engine, in particular gas engine, with a main combustion chamber (5) connected to a pre-chamber body (6) having, prechamber (1) for introducing the combustion, wherein the prechamber (1) has a thermal insulation, characterized ge indicates that the thermal insulation by a in the antechamber (1) used as a sleeve (11) formed, insulating insert (12) is formed and that the pre-chamber body (6) is formed in several parts and at least one of the sleeve (11) receiving first Part (7) and a pre-chamber in the axial direction final 50 second part (8).

2. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the sleeve (11) rotationally symmetrical, preferably cylindrical, is formed.

3. Internal combustion engine according to claim 1 or 2, characterized in that the Vorkam- 5 AT 413 855 B mer (1) is at least partially cylindrically shaped.

4. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 3, characterized in that the sleeve (11) made of heat-resistant material or more materials, preferably at least 5 partially made of ceramic.

5. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the inner circumferential surface (14) of the sleeve (11) to the adjacent pre-chamber wall (15) connects plan. 10

6. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 5, characterized in that the pre-chamber body (6) has a preferably designed by a milling or turning recess (10) corresponding to the shape of the sleeve (11). 15 For 1 sheet of drawings 20 25 30 35 40 45 50 55