AT523742A1 - COMBUSTION ENGINE - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere fremdgezündete Brennkraftmaschine, mit einer mit einem Hauptbrennraum (5) über zumindest einen Übertrittskanal (4) verbundenen Vorkammer (1), wobei eine Vorkammerwand (8) der Vorkammer (1) zumindest abschnittsweise eine thermische Isolierung (9) aufweist Um auf möglichst einfache Weise die Wärmeverluste im Bereich der Vorkammer zu vermindern, ist vorgesehen, dass die thermische Isolierung (9) durch zumindest eine thermisch isolierende Beschichtung (10, 11) der Vorkammerwand (8) gebildet ist.The invention relates to an internal combustion engine, in particular a spark-ignited internal combustion engine, with an antechamber (1) connected to a main combustion chamber (5) via at least one transfer duct (4), an antechamber wall (8) of the antechamber (1) having thermal insulation (9) at least in sections. In order to reduce the heat losses in the area of the antechamber in the simplest possible manner, provision is made for the thermal insulation (9) to be formed by at least one thermally insulating coating (10, 11) on the antechamber wall (8).
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere fremdgezündete Brennkraftmaschine, mit einer mit einem Hauptbrennraum über zumindest einen Übertrittskanal verbundenen Vorkammer, wobei eine Vorkammerwand der The invention relates to an internal combustion engine, in particular a spark-ignited internal combustion engine, with an antechamber connected to a main combustion chamber via at least one transfer duct, one antechamber wall being the
Vorkammer zumindest abschnittsweise eine thermische Isolierung aufweist. Antechamber has at least some sections of thermal insulation.
Brennverfahren mit Vorkammer kommen unter anderem in mager betriebenen fremdgezündeten Brennkraftmaschinen, insbesondere in Gasmotoren 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 und dennoch schadstoffarme Combustion processes with an antechamber are used, among other things, in lean-burn spark-ignition internal combustion engines, in particular in gas engines. The advantage of introducing combustion in the antechamber instead of in the main combustion chamber is that, even with high air conditions, a low ignition energy is sufficient for an efficient, yet low-pollutant
Verbrennung der gesamten Zylinderladung sicherzustellen. Ensure combustion of the entire cylinder charge.
Die Vorkammer ist mit dem Hauptbrennraum über eine oder mehrere durch Bohrungen gebildete Übertrittskanäle strömungsverbunden. Das Kraftstoff/LuftGemisch strömt über eine oder mehrere Einlassventile in den Hauptbrennraum und wird in weiterer Folge während des Verdichtungsvorganges in die Vorkammer geschoben, so dass in dieser ein brennbares Gemisch zur Verfügung steht. The antechamber is flow-connected to the main combustion chamber via one or more transfer channels formed by bores. The fuel / air mixture flows through one or more inlet valves into the main combustion chamber and is then pushed into the antechamber during the compression process, so that a combustible mixture is available there.
Zur Entflammung des Kraftstoff/Luft-Gemisches werden elektrische Funkenzündsysteme und auch Zündstrahlverfahren angewandt. Im Falle einer elektrischen Funkenzündung wird vielfach noch zusätzlich Kraftstoff oder ein Kraftstoff/Luft-Gemisch in die Vorkammer eingebracht, um am Ort der Verbrennungseinleitung ein im Vergleich zum Hauptbrennraum, deutlich fetteres Electrical spark ignition systems and pilot injection processes are used to ignite the fuel / air mixture. In the case of electrical spark ignition, additional fuel or a fuel / air mixture is often introduced into the prechamber in order to achieve a significantly richer combustion chamber compared to the main combustion chamber
und damit auch zündwilligeres Gemisch zur Verfügung zu haben. and thus to have a more ignitable mixture available.
Während bei den elektrischen Zündsystemen die Verbrennungseinleitung durch einen Überschlag eines Zündfunkens zwischen den Elektroden der Zündkerze erfolgt, wird bei dem 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 Kraftstoff/Luft-Gemisches. While in electrical ignition systems the initiation of combustion occurs through a flashover of an ignition spark between the electrodes of the spark plug, in the pilot injection process a small amount of liquid fuel is injected into the prechamber under high pressure. This self-ignites at sufficiently high compression temperatures and subsequently initializes the combustion of the fuel / air mixture.
Aus der Vorkammer strömen Flammenfackeln in den Hauptbrennraum und Flame torches flow from the antechamber into the main combustion chamber and
entflammen auch das dort befindliche Brenngas/Luft-Gemisch. the fuel gas / air mixture located there also ignites.
Dies gilt insbesondere für Brennkraftmaschinen 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/Kraftstoff/Luft-Gemisches resultiert primär aus dem Verdichtungsvorgang. Wandwärmeverluste verringern 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. This applies in particular to internal combustion engines with pilot injection processes and to concepts with homogeneous combustion in the prechamber. In order for the injected or blown pilot jet to self-ignite, the self-ignition temperature must be exceeded. The increase in temperature of the residual gas / fuel / air mixture in the antechamber results primarily from the compression process. However, wall heat losses in turn reduce the temperature of the gas mixture and thus make auto-ignition more difficult. The wall heat losses are particularly high when starting a pilot injection engine, which makes starting the engine considerably more difficult.
Aber auch bei Brennkraftmaschinen mit elektrischer Zündung, mit und ohne zusätzlicher Kraftstoffzufuhr (oder Kraftstoff/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 in internal combustion engines with electrical ignition, with and without an additional fuel supply (or fuel / air mixture supply), excessive wall heat losses lead to poor combustion in the prechamber. In particular with high air conditions in the prechamber at the time of ignition, this leads to poor combustion.
Aus der EP 0 097 320 A?2 ist eine Vor- oder Wirbelkammer für Verbrennungsmotoren bekannt, welche einen den Innenraum formenden inneren Formkörper und einen eine Wärmeisolierung 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 From EP 0 097 320 A2 a pre- or vortex chamber for internal combustion engines is known which has an inner molded body that forms the interior space and an outer molded body of ceramic material that forms thermal insulation and is connected to the inner molded body on the outside by shrinking or gluing . Pre-chambers with thermal insulation on the outside of the pre-chamber body are also from the publication
DE 864 173 B bekannt. Nachteilig ist, dass diese bekannten Vorkammern mit thermischer Isolierung einen erhöhten Herstellungsaufwand aufweisen. Trotz Isolierung werden die Vorkammern mechanisch und thermisch stark belastet. Für eine Nachrüstung sind derartig isolierte Vorkammern wenig geeignet. DE 864 173 B known. It is disadvantageous that these known antechambers with thermal insulation have an increased manufacturing cost. Despite the insulation, the antechambers are subject to high mechanical and thermal loads. Such insulated antechambers are not very suitable for retrofitting.
Die DE 198 00 751 A1 zeigt eine Brennkraftmaschine mit einer Hauptverbrennnungskammer und einer Vorverbrennungskammer, in welche eine Gas-Brennstoff-Einführöffnung einmündet. Das Vorverbrennungskammerelement ist aus wärmebeständigen Keramikmaterialien hergestellt, um eine Wärmeisolierung auszubilden. DE 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 element is made of heat-resistant ceramic materials to form thermal insulation.
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. DE 38 32 261 A1 describes an antechamber construction for an internal combustion engine with 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 an antechamber.
Die US 5,065,714 zeigt eine Vorkammer, welche aus wärmeisolierendem Material besteht. The US 5,065,714 shows an antechamber which consists of heat-insulating material.
Die AT 413 855 B beschreibt eine Brennkraftmaschine mit einer mit einem Hauptbrennraum verbundenen Vorkammer, wobei die Vorkammer eine thermische Isolierung aufweist, welche durch einen in die Vorkammer eingesetzten Isolierungseinsatz gebildet ist. Dadurch ergeben sich allerdings geometrischer Zwänge, weshalb diese Lösung nicht für alle Fälle geeignet ist. AT 413 855 B describes an internal combustion engine with an antechamber connected to a main combustion chamber, the antechamber having thermal insulation which is formed by an insulation insert inserted into the antechamber. However, this results in geometric constraints, which is why this solution is not suitable for all cases.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Brennkraftmaschine der eingangsgenannten The object of the invention is to provide the aforementioned in an internal combustion engine
Art die Wärmeverluste im Bereich der Vorkammer zu vermindern. Way of reducing the heat losses in the area of the antechamber.
Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung dieser Aufgabe dadurch, dass die thermische Isolierung durch zumindest eine thermisch isolierende Beschichtung der According to the invention, this object is achieved in that the thermal insulation is provided by at least one thermally insulating coating of the
Vorkammerwand gebildet ist. Antechamber wall is formed.
Unter Vorkammerwand ist im Sinne der Erfindung ein das gesamte Vorkammervolumen -also Innenraum der Vorkammer und Übertrittskanäle -For the purposes of the invention, the prechamber wall is the entire prechamber volume - i.e. the interior of the prechamber and transfer channels -
aufspannende Wandbereich zu verstehen. to understand the spanning wall area.
Vorzugsweise ist zumindest eine erste thermisch isolierende Beschichtung auf der dem Innenraum der Vorkammer zugewandten Innenseite der Vorkammerwand At least one first thermally insulating coating is preferably on the inside of the antechamber wall facing the interior of the antechamber
angeordnet. arranged.
Im Vergleich zu thermischen Isolierungseinsätzen und Vorkammern, welche durch einen Keramikkörper gebildet werden, stehen wesentlich mehr geometrische Freiheiten zur Verfügung, wenn die thermische Isolierung durch eine thermisch isolierende Beschichtung gebildet ist. Thermisch isolierende Beschichtungen der Compared to thermal insulation inserts and pre-chambers, which are formed by a ceramic body, there are significantly more geometric freedoms available if the thermal insulation is formed by a thermally insulating coating. Thermally insulating coatings of the
Vorkammerwand können für alle möglichen Vorkammerformen eingesetzt werden. Antechamber walls can be used for all possible antechamber shapes.
Dadurch kann ein verbessertes Kaltstartverhalten erzielt werden. Insbesondere ist es möglich ein Auslöschen der Flamme zu vermeiden und auch Klopfen und As a result, an improved cold start behavior can be achieved. In particular, it is possible to avoid extinguishing the flame and also knocking and
Vorzünden in der Vorkammer zu kontrollieren. To control pre-ignition in the antechamber.
In weiterer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest ein In a further embodiment of the invention it is provided that at least one
Übertrittskanal eine zweite thermisch isolierende Beschichtung aufweist. Transfer channel has a second thermally insulating coating.
Der Bereich der Übertrittskanäle zwischen Vorkammer und Hauptbrennraum stellt eine besonders große Temperatursenke dar, da das Verhältnis der Oberfläche zum The area of the transfer ducts between the antechamber and the main combustion chamber represents a particularly large temperature drop, as the ratio of the surface to the
Gasvolumen am größten ist. Insbesondere beim Kaltstart der Brennkraftmaschine Gas volume is greatest. In particular when starting the internal combustion engine from cold
kann es beim Übertreten der Flammfackeln von der Vorkammer über die Übertrittskanäle in den Hauptbrennraum durch die kalten Kanalwände zum Erlöschen der Flammfackeln kommen. Eine thermische Isolierung der Übertrittskanäle vermindert die Wärmeableitung in den Metallkörper des Zylinderkopfes und wirkt sich somit besonders günstig auf das Kaltstartverhalten When the flame flares pass from the antechamber via the transfer ducts into the main combustion chamber, the cold duct walls can cause the flame flares to go out. Thermal insulation of the transfer channels reduces the heat dissipation into the metal body of the cylinder head and thus has a particularly favorable effect on the cold start behavior
aus. the end.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe also dadurch gelöst, dass eine thermisch isolierende Beschichtung nur auf der Außenseite oder der Innenseite der Vorkammerwand, nur an der Innenseite des Übertrittskanals oder auf mehreren der According to the invention, the object is achieved in that a thermally insulating coating is only on the outside or the inside of the antechamber wall, only on the inside of the transfer channel or on several of the
vorgenannten Flächen angeordnet ist. aforementioned surfaces is arranged.
Als thermische isolierende Beschichtung können beispielsweise keramische Werkstoffe verwendet werden. Ceramic materials, for example, can be used as a thermal insulating coating.
In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest eine thermisch isolierende Beschichtung aus einem nichtkeramischen Werkstoff besteht. Auch der Vorkammerkörper, inklusive Vorkammerwände besteht vorteilhafter Weise aus einem nichtkeramischen Werkstoff, beispielsweise aus Metall. In a further embodiment variant of the invention it is provided that at least one thermally insulating coating consists of a non-ceramic material. The antechamber body, including antechamber walls, also advantageously consists of a non-ceramic material, for example metal.
Nichtkeramische Werkstoffe weisen ein besseres mechanisches Verhalten als Non-ceramic materials show better mechanical behavior than
keramische Werkstoffe auf und sind meistens kostengünstiger. ceramic materials and are usually cheaper.
Das Material der Beschichtung weist bevorzugt niedrige Wärmeleitfähigkeit und möglichst geringe thermische Masse auf. The material of the coating preferably has low thermal conductivity and the lowest possible thermal mass.
Materialien, die sich beispielsweise als Beschichtung eignen, sind beispielsweise Zirconoxid oder SiRPA (Silica Reinforced Porous Anodized Aluminum). Materials that are suitable as a coating, for example, are zirconium oxide or SiRPA (Silica Reinforced Porous Anodized Aluminum).
Die Vorkammer kann als passive Vorkammer oder als aktive Vorkammer ausgebildet sein. Bei passiven Vorkammern gelangt das Kraftstoff/Luftgemisch über die Übertrittskanäle vom Hauptbrennraum in die Vorkammer und wird hier durch eine in die Vorkammer einmündende Zündvorrichtung gezündet. Bei aktiven Vorkammern wird Kraftstoff oder ein Kraftstoff/Luft-Gemisch über eine in die Vorkammer mündende Kraftstoffzuführvorrichtung oder eine Kraftstoff/LuftGemisch-Zuführvorrichtung direkt in die Vorkammer eingebracht und über eine in die Vorkammer einmündende Zündvorrichtung gezündet. The prechamber can be designed as a passive prechamber or as an active prechamber. With passive pre-chambers, the fuel / air mixture reaches the pre-chamber via the transfer ducts from the main combustion chamber and is ignited here by an ignition device opening into the pre-chamber. With active prechambers, fuel or a fuel / air mixture is introduced directly into the prechamber via a fuel feed device opening into the prechamber or a fuel / air mixture feed device and ignited via an ignition device opening into the prechamber.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Figur dargestellten nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels näher erläutert. The invention is explained in more detail below with reference to a non-restrictive exemplary embodiment shown in the figure.
Die Figur zeigt eine erfindungsgemäße Vorkammer 1 einer Br4ennkraftmaschine im Längsschnitt. The figure shows an antechamber 1 according to the invention of an internal combustion engine in longitudinal section.
Die Vorkammer 1 ist im Zylinderkopf 2 einer nicht weiter dargestellten Brennkraftmaschine angeordnet. Der Innenraum 3 der Vorkammer 1 mündet über Übertrittskanäle 4 in einen Hauptbrennraum 5 der Brennkraftmaschine. Mit Bezugszeichen 6 ist im Ausführungsbeispiel eine in die Vorkammer 1 einmündende Zündeinrichtung bezeichnet. In einer nicht dargestellten Ausführungsvariante kann weiters eine durch ein Einspritzventil oder Einblaseventil gebildete Kraftstoffzuführvorrichtung oder eine Kraftstoff/Luft-Gemisch-Zuführvorrichtung in die Vorkammer 1 einmünden. The prechamber 1 is arranged in the cylinder head 2 of an internal combustion engine, not shown. The interior 3 of the prechamber 1 opens via transfer ducts 4 into a main combustion chamber 5 of the internal combustion engine. In the exemplary embodiment, reference numeral 6 denotes an ignition device opening into the antechamber 1. In an embodiment variant not shown, a fuel supply device formed by an injection valve or injection valve or a fuel / air mixture supply device can also open into the antechamber 1.
Der Vorkammerkörper 7 der Vorkammer 1 ist im Ausführungsbeispiel durch den Zylinderkopf 2 gebildet. Es ist aber auch möglich, den Vorkammerkörper 7 separat zum Zylinderkopf 2 auszubilden. Die Längsachse der Vorkammer 1 ist mit 1a bezeichnet. The prechamber body 7 of the prechamber 1 is formed by the cylinder head 2 in the exemplary embodiment. However, it is also possible to design the prechamber body 7 separately from the cylinder head 2. The longitudinal axis of the antechamber 1 is denoted by 1a.
Die Vorkammerwand 8 der Vorkammer 1 weist eine thermische Isolierung 9 auf, welche durch eine erste thermisch isolierende Beschichtung 10 an der Innenseite 8a der Vorkammerwand 8 gebildet ist, die dem Innenraum 3 der Vorkammer 1 zugewandt ist. Die erste thermisch isolierende Beschichtung 10 kleidet im Ausführungsbeispiel die Vorkammer 1 zur Gänze aus. The antechamber wall 8 of the antechamber 1 has thermal insulation 9, which is formed by a first thermally insulating coating 10 on the inside 8a of the antechamber wall 8, which faces the interior 3 of the antechamber 1. In the exemplary embodiment, the first thermally insulating coating 10 completely lines the antechamber 1.
Weiters weisen auch die Übertrittskanäle 4 eine thermische Isolierung 9 auf, wobei die thermische Isolierung 9 der Übertrittskanäle 4 durch eine zweite thermisch isolierende Beschichtung 11 gebildet ist, welche an der Innenseite 4a der Übertrittskanäle 4 aufgebracht ist. The transfer channels 4 also have thermal insulation 9, the thermal insulation 9 of the transfer channels 4 being formed by a second thermally insulating coating 11 which is applied to the inside 4a of the transfer channels 4.
Sowohl die erste thermisch isolierende Beschichtung 10, als auch die zweite thermisch isolierende Beschichtung 11 bestehen aus einem keramischen oder nichtkeramischen Werkstoff. Insbesondere die Verwendung eines nichtkeramischen Werkstoffs als thermisch isolierende Beschichtung verbessert das mechanische Verhalten und hält den Herstellungsaufwand sehr gering. Both the first thermally insulating coating 10 and the second thermally insulating coating 11 consist of a ceramic or non-ceramic material. In particular, the use of a non-ceramic material as a thermally insulating coating improves the mechanical behavior and keeps the production effort very low.
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