AT523742B1 - 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 channel (4), wherein an antechamber wall (8) of the antechamber (1) has thermal insulation (9) at least in sections. having. In order to reduce the heat losses in the region of the antechamber in the simplest possible way, the thermal insulation (9) is formed by at least one thermally insulating coating (10, 11) on the antechamber wall (8).
Description
[0001] Die Erfindung betrifft eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit einer mit einem Hauptbrennraum über UÜbertrittskanäle verbundenen Vorkammer, wobei eine Vorkammerwand der Vorkammer zumindest abschnittsweise eine thermische Isolierung aufweist, wobei die thermische Isolierung durch zumindest eine thermisch isolierende Beschichtung der Vorkammerwand gebildet ist. The invention relates to a spark-ignited internal combustion engine with an antechamber connected to a main combustion chamber via U transfer channels, wherein an antechamber wall of the antechamber has thermal insulation at least in sections, the thermal insulation being formed by at least one thermally insulating coating of the antechamber wall.
[0002] 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 Verbrennung der gesamten Zylinderladung sicherzustellen. [0002]Combustion processes with a prechamber are used, inter alia, in lean-operated, spark-ignited internal combustion engines, in particular in gas engines. The advantage of initiating combustion in the pre-chamber instead of in the main combustion chamber is that even with high air/fuel ratios, low ignition energy is sufficient to ensure efficient and yet low-emission combustion of the entire cylinder charge.
[0003] Die Vorkammer ist mit dem Hauptbrennraum über eine oder mehrere durch Bohrungen gebildete UÜbertrittskanäle strömungsverbunden. Das Kraftstoff/Luft- Gemisch 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. [0003] The antechamber is flow-connected to the main combustion chamber via one or more U transfer channels formed by bores. The fuel/air mixture flows through one or more intake valves into the main combustion chamber and is then pushed into the pre-chamber during the compression process, so that a combustible mixture is available there.
[0004] 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 und damit auch zündwilligeres Gemisch zur Verfügung zu haben. [0004] Electrical spark ignition systems and pilot jet methods 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 have a much richer and therefore more ignitable mixture available at the point of combustion initiation compared to the main combustion chamber.
[0005] 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 takes place through a flashover of an ignition spark between the electrodes of the spark plug, in the ignition jet method a small amount of liquid fuel is injected under high pressure into the antechamber. This self-ignites at sufficiently high compression temperatures and subsequently initiates the combustion of the fuel/air mixture.
[0006] Aus der Vorkammer strömen Flammenfackeln in den Hauptbrennraum und entflammen auch das dort befindliche Brenngas/Luft-Gemisch. Flame flares flow from the antechamber into the main combustion chamber and also ignite the fuel gas/air mixture located there.
[0007] Zur Erzielung einer stabilen Verbrennung in der Vorkammer ist bei sämtlichen Konzepten ein ausreichend hohes Temperaturniveau in der Vorkammer erforderlich. In order to achieve stable combustion in the antechamber, all of the concepts require a sufficiently high temperature level in the antechamber.
[0008] 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. [0008] This applies in particular to internal combustion engines with pilot injection methods and to concepts with homogeneous combustion in the antechamber. The self-ignition temperature must be exceeded in order for the injected or blown-in ignition jet to self-ignite. The increase in temperature of the residual gas/fuel/air mixture in the prechamber results primarily from the compression process. However, wall heat losses in turn reduce the temperature of the gas mixture and thus make self-ignition more difficult. Especially when starting a dual fuel engine, the wall heat losses are particularly high, which makes starting the engine considerably more difficult.
[0009] 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. [0009] But also in internal combustion engines with electric ignition, with and without additional fuel supply (or fuel/air mixture supply), excessive wall heat losses lead to poor combustion in the antechamber. In particular with high air ratios in the pre-chamber at the time of ignition, this leads to poor combustion.
[0010] 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 DE 864 173 B bekannt. Nachteilig ist, dass diese bekannten Vorkammern mit thermischer Isolierung einen erhöhten Herstellungsaufwand aufweisen. Trotz Isolierung werden die Vorkam-[0010] EP 0 097 320 A?2 discloses a prechamber or swirl chamber for internal combustion engines, which has an inner molded body that forms the interior and an outer molded body made of ceramic material that forms thermal insulation molding is connected. Antechambers with thermal insulation on the outside of the antechamber body are also known from the publication DE 864 173 B. The disadvantage is that these known antechambers with thermal insulation have an increased manufacturing cost. Despite isolation, the occurrences
mern mechanisch und thermisch stark belastet. Für eine Nachrüstung sind derartig isolierte Vorkammern wenig geeignet. mechanically and thermally heavily loaded. Antechambers insulated in this way are not very suitable for retrofitting.
[0011] 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 member is made of heat-resistant ceramic materials to form thermal insulation.
[0012] 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 a prechamber construction for an internal combustion engine with a prechamber formed by a ceramic body which has a receiving opening for a glow plug and which is inserted into a cavity of a metal cylinder head provided for receiving a prechamber.
[0013] Die US 5,065,714 zeigt eine Vorkammer, welche aus wärmeisolierendem Material besteht. [0013] US Pat. No. 5,065,714 shows an antechamber made of heat-insulating material.
[0014] 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 insulating insert inserted into the antechamber. However, this results in geometric constraints, which is why this solution is not suitable for all cases.
[0015] Die DE 1020 17 215 493 A1 beschreibt eine Vorkammeranordnung für einen Zylinder eines fremdgezündeten Gasmotors. Die Vorkammer ist über mehrere Überströmkanäle mit einem Hauptbrennraum verbunden. Zur Ausbildung eines Korrosionsschutzes und/oder Wärmedämmschutzes ist der Korpusteil und/oder der Düsenteil der Vorkammer oberflächenbehandelt, insbesondere über ein Diffusionsverfahren. Eine thermisch isolierende Beschichtung an der Innenseite von UÜbertrittskanälen zwischen Vorkammer und Hauptbrennraum ist nicht vorgesehen. DE 1020 17 215 493 A1 describes an antechamber arrangement for a cylinder of a spark-ignited gas engine. The antechamber is connected to a main combustion chamber via several transfer channels. The body part and/or the nozzle part of the antechamber is surface-treated, in particular by a diffusion process, to provide protection against corrosion and/or thermal insulation. A thermally insulating coating on the inside of the U transition channels between the prechamber and the main combustion chamber is not provided.
[0016] Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Brennkraftmaschine der eingangsgenannten Art die Wärmeverluste im Bereich der Vorkammer zu vermindern. The object of the invention is to reduce the heat losses in the antechamber in an internal combustion engine of the type mentioned.
[0017] Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung dieser Aufgabe dadurch, dass die Übertrittskanäle eine zweite thermisch isolierende Beschichtung zumindest an einer Innenseite der Ubertrittskanäle aufweisen. According to the invention, this object is achieved in that the transfer channels have a second thermally insulating coating at least on an inside of the transfer channels.
[0018] Unter Vorkammerwand ist im Sinne der Erfindung ein das gesamte Vorkammervolumen also Innenraum der Vorkammer und UÜbertrittskanäle - aufspannende Wandbereich zu verstehen. For the purposes of the invention, an antechamber wall is to be understood as a wall area spanning the entire antechamber volume, ie the interior space of the antechamber and U transfer channels.
[0019] Vorzugsweise ist zumindest eine erste thermisch isolierende Beschichtung auf der dem Innenraum der Vorkammer zugewandten Innenseite der Vorkammerwand angeordnet. At least one first thermally insulating coating is preferably arranged on the inside of the antechamber wall facing the interior of the antechamber.
[0020] 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 Vorkammerwand können für alle möglichen Vorkammerformen eingesetzt werden. Compared to thermal insulation inserts and antechambers, which are formed by a ceramic body, there are significantly more geometric freedoms available when the thermal insulation is formed by a thermally insulating coating. Thermally insulating coatings on the antechamber wall can be used for all possible antechamber shapes.
[0021] Dadurch kann ein verbessertes Kaltstartverhalten erzielt werden. Insbesondere ist es möglich ein Auslöschen der Flamme zu vermeiden und auch Klopfen und Vorzünden in der Vorkammer zu kontrollieren. [0021] As a result, improved cold start behavior can be achieved. In particular, it is possible to avoid flame extinction and also to control knocking and pre-ignition in the antechamber.
[0022] Der Bereich der Übertrittskanäle zwischen Vorkammer und Hauptbrennraum stellt eine besonders große Temperatursenke dar, da das Verhältnis der Oberfläche zum Gasvolumen am größten ist. Insbesondere beim Kaltstart der Brennkraftmaschine kann es beim Ubertreten 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 aus. The area of the transition channels between the antechamber and the main combustion chamber represents a particularly large temperature sink, since the ratio of the surface area to the gas volume is the greatest. In particular during a cold start of the internal combustion engine, the flame flares can be extinguished when the flame flares pass from the antechamber via the transfer ducts into the main combustion chamber through the cold duct walls. Thermal insulation of the transition channels reduces heat dissipation into the metal body of the cylinder head and thus has a particularly favorable effect on cold start behavior.
[0023] 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 Ubertrittskanals oder auf mehreren der vorgenannten Flächen angeordnet ist. According to the invention, the object is thus achieved in that a thermally insulating coating is arranged only on the outside or the inside of the antechamber wall, only on the inside of the transfer channel or on several of the aforementioned surfaces.
[0024] Als thermische isolierende Beschichtung können beispielsweise keramische Werkstoffe verwendet werden. Ceramic materials, for example, can be used as the thermally insulating coating.
[0025] 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 of the invention it is provided that at least one thermally insulating coating consists of a non-ceramic material. The antechamber body, including the antechamber walls, is also advantageously made of a non-ceramic material, for example metal.
[0026] Nichtkeramische Werkstoffe weisen ein besseres mechanisches Verhalten als keramische Werkstoffe auf und sind meistens kostengünstiger. [0026] Non-ceramic materials have better mechanical behavior than ceramic materials and are usually less expensive.
[0027] 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.
[0028] Materialien, die sich beispielsweise als Beschichtung eignen, sind beispielsweise Zirconoxid oder SiRPA (Silica Reinforced Porous Anodized Aluminum). Materials that are suitable, for example, as a coating are, for example, zirconium oxide or SiRPA (Silica Reinforced Porous Anodized Aluminum).
[0029] Die Vorkammer kann als passive Vorkammer oder als aktive Vorkammer ausgebildet sein. Bei passiven Vorkammern gelangt das Kraftstoff/Luftgemisch über die Ubertrittskanäle 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 antechamber can be designed as a passive antechamber or as an active antechamber. In the case of passive pre-chambers, the fuel/air mixture reaches the pre-chamber via the transfer channels from the main combustion chamber and is ignited here by an ignition device which opens into the pre-chamber. In the case of active prechambers, fuel or a fuel/air mixture is introduced directly into the prechamber via a fuel supply device opening into the prechamber or a fuel/air mixture supply device and ignited via an ignition device opening into the prechamber.
[0030] Mit den beschriebenen Maßnahmen zur Wärmeisolation erreicht das Restgas/Brenngas/ Luft-Gemisch in der Vorkammer gegen Ende der Verdichtung (kurz bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht) ausreichend hohe Temperaturen, um auch bei kaltem Motor eine Verbrennung des Gemisches im Hauptbrennraum einzuleiten. Vor allem aber werden die Wärmeverluste über die Vorkammerwand minimalisiert, wodurch die Verbrennung in einem weiteren Bereich der Betriebsbedingungen unterstützt werden kann. With the heat insulation measures described, the residual gas/combustion gas/air mixture in the antechamber reaches sufficiently high temperatures towards the end of compression (just before the piston reaches top dead center) to allow combustion of the mixture in the main combustion chamber even when the engine is cold to initiate Above all, however, the heat losses through the antechamber wall are minimized, which means that combustion can be supported in a wider range of operating conditions.
[0031] 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 embodiment shown in the figure.
[0032] Die Figur zeigt eine erfindungsgemäße Vorkammer 1 einer Brennkraftmaschine im Längsschnitt. The figure shows a prechamber 1 according to the invention of an internal combustion engine in longitudinal section.
[0033] Die Vorkammer 1 ist im Zylinderkopf 2 einer nicht weiter dargestellten Brennkraftmaschine angeordnet. Der Innenraum 3 der Vorkammer 1 mündet über Ubertrittskanäle 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 antechamber 1 is arranged in the cylinder head 2 of an internal combustion engine, not shown. The interior 3 of the antechamber 1 opens out via transfer channels 4 into a main combustion chamber 5 of the internal combustion engine. An ignition device which opens into the antechamber 1 is denoted by reference numeral 6 in the exemplary embodiment. In an embodiment variant that is 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 .
[0034] 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 form the prechamber body 7 separately from the cylinder head 2 . The longitudinal axis of the antechamber 1 is denoted by 1a.
[0035] 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 .
[0036] Weiters weisen auch die Übertrittskanäle 4 eine thermische Isolierung 9 auf, wobei die thermische Isolierung 9 der Ubertrittskanäle 4 durch eine zweite thermisch isolierende Beschichtung 11 gebildet ist, welche an der Innenseite 4a der Ubertrittskanäle 4 aufgebracht ist. Furthermore, 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 .
[0037] 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 Be-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 component
schichtung verbessert das mechanische Verhalten und hält den Herstellungsaufwand sehr gering. layering improves the mechanical behavior and keeps the manufacturing costs very low.
[0038] Mit den beschriebenen Maßnahmen kann das Kaltstartverhalten der Brennkraftmaschine mit sehr geringem Aufwand und ohne Einbußen an geometrischen Freiheiten effizient verbessert werden. With the measures described, the cold start behavior of the internal combustion engine can be efficiently improved with very little effort and without sacrificing geometric freedom.
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