CH681647A5 - - Google Patents

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CH681647A5
CH681647A5 CH3420/90A CH342090A CH681647A5 CH 681647 A5 CH681647 A5 CH 681647A5 CH 3420/90 A CH3420/90 A CH 3420/90A CH 342090 A CH342090 A CH 342090A CH 681647 A5 CH681647 A5 CH 681647A5
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CH
Switzerland
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burner
fuel
chamber
cell
internal combustion
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CH3420/90A
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English (en)
Inventor
Frederick S Schaub
Jesse George Smith
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Cooper Ind Inc
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Description

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CH 681 647 A5
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Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Verbrennungssystem für Zweistoff-Brennkraftmaschinen.
Stationäre Hubkolben-Brennkraftmaschinen, welche mit Erdgas oder anderen gasförmigen Brennstoffen betrieben werden, verbrauchen Zündenergie von einem Funken oder einer kleinen Vormenge bzw. Pilotmenge (typischerweise fünf Prozent des Gesamtbrennstoffs) eines flüssigen Brennstoffs, der eine adäquate Cetanzahl (typischerweise Diesel-Brennstofföl) hat, die direkt in die Brennkammer gespritzt wird. Die pilotgezündeten Brennkraftmaschinen bedienen die Hauptindustrieabsatzgebiete, da diese gegenüber mittels funkengezündeten Brennkraftmaschinen hinsichtlich der Haltbarkeit und des Leistungsvermögens überlegen sind und eine Konvertibilität zu und von einem vollständigen Betreiben mit Dieselbrennstoff gestatten. Diese pilotgezündeten Brennkraftmaschinen werden als «Gas-Diesel» oder «Zweistoff»-Brennkraftmaschinen bezeichnet.
Typische Zweistoff-Brennkraftmaschinen sind in den US-PS'en 4 603 674 (Tamaka), 4 463 734 (Akeroyd) und 4 527 516 (Foster) angegeben.
Die Steuerung der Brennkraftmaschinenemissionen, insbesondere der NOx-Emissionen, ist auch ein Gegenstand von Weiterentwicklungen, wie dies beispielsweise in US-PS'en 4 306 526 (Schaub et al) und 4 524 730 (Doell et al) angegeben ist.
Obgleich die pilotgezündeten Brennkraftmaschinen derzeit im kommerziellen Einsatz bei Sattelzugfahrzeugen die Kraftstoffverbrauch günstigsten Antriebe darstellen, werden von diesen Brennkraftmaschinen Abgase mit ungünstigen Abgasemissionswerten abgegeben, die sich mittels analytischer Verfahren feststellen lassen und visuell als gelber Dunst erkennbar sind. Es wurde viel Arbeit hinsichtlich der Untersuchungen betreffend die ungünstigen Emissionswerte im Wettbewerb mit Flüssigpilotbrennstoff und der gasförmigen Primärbrennstoffe zur Bereitstellung von Sauerstoff aufgewendet. Bei diesem Widerstreit zur Bereitstellung von Sauerstoff werden gasförmige Brennstoffmengen bevorzugt, und es wird der Anteil des Pilotbrennstoffs reduziert, woraus hohe Emissionswerte von dem Flüssigbrennstoff resultieren.
Die Erfindung zielt darauf ab, die Abgasemissionen zu steuern, d.h. die gelbe Dunstbildung bei einer Zweistoffbetriebsart zu steuern, sowie im allgemeinen die Steuerung und die Beeinflussung auf weitere Abgasemissionen auszudehnen.
Ferner soll nach der Erfindung ein günstiger Brennstoffverbrauch erzielt werden, um das Leistungsvermögen zu verbessern und die Anwendungsgebiete für Zweistoff-Brennkraftmaschinen zu erweitern.
Ferner bezweckt die Erfindung, die vorstehend genannten Zielsetzungen auf eine einfache Weise zu erreichen, welche kostengünstig ist, eine ausreichende Standzeit der Bauteile sicherstellt und eine Flexibilität hinsichtlich des Einsatzgebietes erreicht wird.
Nach der Erfindung wird hierzu eine extern angeordnete, mit fluidförmigem Brennstoff gespeiste Brennerzellenanordnung bereitgestellt, welche in kommunizierender Verbindung mit der Hauptkolbenkammer ist, wobei eine solche Zelle eine Einrichtung zur optimalen Zündung eines brennstoffarmen, gasförmigen Brennstoffgemisches in der Hauptkammer zum Zeitpunkt der maximalen Kompression am oberen Totpunkt des Kompressionshubes gestattet.
Ferner bezweckt die Erfindung eine externe, unabhängige Brennerzellenanordnung bereitzustellen, die auf einfache Weise bei Umrüstungen oder beim nachträglichen Einbau eingesetzt werden kann, und die sich auf einfache Weise bei einer Erstausstattung herstellen lässt.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Darin zeigt:
Fig. 1 eine Teilschnittansicht einer typischen Viertakt-Brennkraftmaschine der V-Bauart, welche für eine hohe Leistung und einen Dauerleistungsbetrieb ausgelegt ist,
Fig. 2 eine Querschnittsansicht mit Teilschnittdarstellung einer ähnlichen gewichtsmässig leichteren Brennkraftmaschine für die Zusatzleistungslieferung sowie für Offshore- und Schiffahrtsanwendungen, welche mit einer geringfügig höheren Drehzahl arbeitet,
Fig. 3 eine schematische Teilschnittansicht einer Brennkammer, bei der die verbesserte Brennerzellenanordnung vorgesehen ist, welche nach der Erfindung ausgelegt ist und die zur Anwendung bei der Brenngasbetriebsart und einer üblichen Einspritzdüse zur Venwendung bei der Betriebsart ausschliesslich mit Diesel-Brennstoff bestimmt ist,
Fig. 4 eine vergrösserte Seitenansicht mit Teilschnittdarstellung der Brennerzelle nach Fig. 3,
Fig. 5 eine Seitenansicht einer Zylinderkopfanordnung, welche nach der Erfindung ausgelegt ist,
Fig. 6 eine Unteransicht längs der Linie 6-6 in Fig. 5 des Zylinderkopfs, wobei die Abdeckung abgenommen ist,
Fig. 7 eine Teilschnittdarstellung längs der Linie 7-7 in Fig. 6 zur Verdeutlichung der Ventilsitzeinsätze,
Fig. 8 eine Seitenansicht eines Kolbens in Schnittdarstellung, welcher nach der Erfindung ausgelegt ist, und
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines Zylinderkopfs nach der Erfindung.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung und insbesondere auf die Fig. 1 und 2, in denen gleiche oder ähnliche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen sind, ist eine typische Auslegungsform einer Brennkraftmaschine 10 gezeigt, welche nach der Erfindung ausgelegt ist. Diese Brennkraftmaschine 1 umfasst eine Basis 12, die ein Mittelgestell 14 trägt, auf dem eine Mehrzahl von Zylinderblöcken 16 angebracht ist, die im Abstand gemäss einer «^»-förmigen Anordnung relativ zu dem Mittelgestell ange5
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ordnet sind. Vorzugsweise sind die Basis, das Mittelgestell und die Mehrzahl von Zylinderblöcken jeweils einstückig ausgelegt, um eine maximale Steifigkeit und eine bleibende Ausrichtung bei ihrer Verbindung zu erzielen. Eine axial angeordnete Arbeitskurbelwelle 18 ist in dem Mittelgestell angebracht, und sie ist längs ihrer Länge mit Hilfe von geeigneten Lagern gelagert und über Verbindungsstangen 20 mit komplementären Kolben 22 verbunden, die jeweils in der Bohrung eines Zylinderblocks 16 angeordnet sind. Jeder Zylinder ist am oberen Ende mittels eines geeigneten Kopfes 24 geschlossen, der normalerweise zwei Einlassventile 26 und zwei Auslassventile 28 enthält, wobei die Ventilsitze vorzugsweise in Einsatzbauform ausgelegt sind und aus einem hochwärmebeständigen Material hergestellt sind. Die Ventile werden mit geeigneten Steuernockenwellen 30 gesteuert, welche mit Nockenrollen 32 zusammenarbeiten, die Schubstangen 34 haben und über Kipphebel 36 oder ähnliche geeignete Einrichtungen die Ventile zu ihrer Steuerung beaufschlagen. Im wesentlichen auf der Achse des Zylinderkopfs 24 zwischen den Ventilen 26 und 28 ist eine Brennstoffeinspritzdüse 40 angeordnet, wie dies bei Diesel-Brennkraftmaschinen üblich ist. Bei der Einspritzeinrichtung 40 kann es sich um eine Mehrloch-Einspritzeinrichtung handeln, die beispielsweise in der schwebenden Patentanmeldung von Helmeich angegeben ist, die den Titel trägt: «Zweistoff-Brennkraftmaschine mit geringen Emissionswerten und Verfahren zum Betreiben derselben». Auch ist ein zusätzliches Ventil 42 zum Starten der einzigen Diesel-Brennstoff-Brennkraftma-schine vorgesehen, mittels dem die Zylinder durch die komprimierte Luft bewegt werden, bis die Kompressionskraft der Kolben das Luft/Brennstoffgemisch auf den Zündpunkt erwärmt, wenn eine Verbrennung bei normalem Arbeitsbetrieb auftritt. Die Teile der Brennkraftmaschine mit geringerer Leistung in Fig. 2 sind mit den gleichen Bezugsziffern versehen, es ist aber zusätzlich der Zusatz «a» vorgesehen.
Die Zweistoff-Brennkraftmaschine nach Fig. 1 ist eine LSVB Viertakt-Brennkraftmaschine, und die Zweistoff-Brennkraftmaschine nach Fig. 2 ist eine KSV-Viertakt-Brennkraftmaschine. Beide werden von Cooper-Bessemer, einer Gesellschaft der Firma Cooper Industries, hergestellt, auf die die vorliegende Erfindung übertragen ist. Die Zweistoff-Brennkraftmaschinen umfassen eine Mehrzahl von Zylindern, und sie haben zweckmässigerweise 12, 16 oder 20 Zylinder. Die LSVB- und KSV-Brennkraftmaschinen sind abgewandelt unter Anwendung der Brennerzellenanordnung 50 (Fig. 3 und 4).
Die Brennerzelle ist hauptsächlich zweckmässig bei jeglicher Bauart von grossen Hubkolben-Brennkraftmaschinen unabhängig davon, ob sie stationär oder mobil betrieben werden. Die Erfindung ist im Hinblick auf den Wirkungsgrad am besten geeignet für grosse Brennkraftmaschinen.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 3, 4 und 9 ist die Erfindung anhand einer Viertakt-Brennkraftmaschine dargestellt, bei der die Zylinder normalerweise mit einem gasförmigen Brennstoff gespeist werden, und es sind zwei Brennerzellenanordnungen 50 vorgesehen, die mittels einer relativ kleinen Menge eines Flüssigpilotbrennstoffes gezündet werden. Die selbstzündende Kammer 100 der Brennerzellenanordnung hat eine im wesentlichen segmentierte ferroparaboloidförmige Gestalt, und ihr Volumen beläuft sich in typischer Weise auf ein bis fünf Prozent des Volumens der Hauptkammer 17, die durch den Kolben 22, den Zylinderkopf 24 und die Wände des Zylinders 16 am oberen Totpunkt des Kolbenhubs begrenzt wird. Jedoch können sich die Abmessungen der Selbstzündungskammer 100 auch auf solche Werte belaufen, dass bis zu fünfundzwanzig Prozent des Volumens der Hauptzylinderkammer 17 bei einer klein bemessenen Brennkraftmaschine eingenommen wird, wenn sich die Hubbewegung an ihrer obersten Stelle befindet. Eine derartige Brennerzellenkammer 100 kann eine adäquate thermisch und chemisch aktive Menge an Stoffen abgeben, um den brennstoffarmen Inhalt der Hauptkammer 17 zu zünden. (Eine arme Verbrennung ist eine effektive Steuerungsmethode für gewisse Emissionsbestandteile einschliesslich Stickoxiden, insbesondere von gasförmigen Brennstoffen).
Nunmehr wird auf Fig. 4 Bezug genommen, die eine vergrösserte Ansicht der in Fig. 3 gezeigten Brennerzellenanordnung 50 zeigt. Die Anordnung 50 umfasst einen im allgemeinen rohrförmigen Injektorkörper 60, der einen massiven Endabschnitt 62 hat, der ringförmig an in Abstand liegenden Abschnitten ausgenommen ist, wie dies bei 64 und 68 verdeutlicht ist, um eine Ringschulter 66 zu bilden, die eine radiale Anlage 67 im Hinblick auf die nachstehend angegebenen Zweckbestimmungen bildet. Das freie Ende des massiven Abschnitts 62 ist mit einem im allgemeinen segmentierten sphärischen Hohlraum 52 versehen, der den segmentierten Abschnitt 51 vorzugsweise in der Mitte der Kugelgestalt hat, d.h. es handelt sich um einen halbkugelförmigen Hohlraum, welcher ein vorbestimmtes Volumen für die jeweilige Brennkraftmaschinenart hat, für die diese Einrichtung bestimmt ist. Der Hohlraum 52 ist im wesentlichen symmetrisch zur Achse des rohrförmigen Körpers 60 und steht in kommunizierender Verbindung mit dem Innenraum des rohrförmigen Körpers 60 mit Hilfe eines in Winkelrichtung angeordneten Durchganges 70, der bei 72 und 74 eine Doppelgegenbohrung hat, welche sich nach aussen in Richtung zu dem inneren Hohlraum oder der Kammer 61 des rohrförmigen Körpers 60 von dem Hohlraum 52 wegweisend öffnen.
Die Geometrie der Brennerzellenkammer kann so gestaltet sein, dass sie eine vorspringende Kante oder eine Tasche zur Steuerung der Verdampfung, der Vermischung und der Zündung umfasst.
Ein Injektor bzw. eine Einspritzeinrichtung 80 ist in die Gegenbohrung 74 eingeschraubt, welche gegen eine Dichtungseinrichtung 82 anliegt, die am Basisteil der Gegenbohrung 72 vorgesehen ist, und sie umfasst einen Zapfen oder eine Düse 84, die sich in den Durchgang 70 erstreckt. Die Einspritzeinrichtung 80 ist geringfügig schiefwinklig und unter einem Winkel in Relation zu der koaxialen Anordnung des Körpers 60 und des Hohlraums 52 derart
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Die Einspritzeinrichtung kann eine Mehrloch-Ein-spritzeinrichtung sein, wie dies in der schwebenden Patentanmeldung von Helmeich mit der Bezeichnung «Zweistoff-Brennkraftmaschine mit niedrigen Emissionswerten und Verfahren zum Betreiben derselben» angegeben ist. Sie kann auch von einer Zapfendüse mit einer einzigen Öffnung gebildet werden, oder die Düsenauslegung kann durch die anderen Eigenschaften der Zündstoffe gegenüber Brennstofföl vorgegeben sein.
Eine Düse, die eine quer verlaufende Hinter-schneidung und einen abgeschrägten Kopf 92 hat, besitzt eine schmale, randähnliche Kante 94 zur Bildung einer Abdichtung auf die nachstehend beschriebene Weise, und sie umfasst einen segmentierten paraboloidförmigen Hohlraum 93, der komplementär zu dem Hohlraum 52 an dem geraden Teil des paraboloidförmigen Endes 91 ausgelegt ist und einen Segmentabschnitt 95 am anderen Ende hat. Die Hohlräume 52 und 93 sind so kombiniert, dass man eine im allgemeinen segmentierte sphäroparabo-loidförmige Kammer 100 erhält.
Die äussere Gestalt des Körpers der Düse 90, die von dem Kopf 92 nach unten verläuft, ist doppelkonisch ausgebildet, um einen kegelstumpfförmigen Abschnitt 96 und eine konische Spitze 98 zu erhalten. Der Hohlraum 93 steht mit dem Konus 98 über den Durchgang 102 in Verbindung, der im wesentlichen tangential zu der Oberfläche des Hohlraums 93 und im wesentlichen senkrecht zu der erzeugenden Fläche des Konus 98 angeordnet ist. Der Durchgang 102 ist etwas von der Tangentiallinie nach oben versetzt, die an den segmentierten sphärischen Hohlraum gelegt ist, der in dem Ende des Kolbens 22 ausgelegt ist, wenn dieser seine oberste Hubstellung einnimmt.
Die Düse 90 ist mit dem freien Ende des massiven Abschnitts 62 über eine Schweiss- oder Lötwulst 104 verbunden, welche die abgeschrägte äussere Kante der entsprechend zugeordneten End- und Kopfflächen ausfüllt.
Der Zylinderkopf 24 ist mit einem winkelig angeordneten Durchgang 120 versehen, der einen axial im Abstand angeordneten und mit einer Gegenbohrung versehenen Sitz 122 im Durchgang 123 hat, mit dem der Düsenkopfrand 94 in Dichtungseingriff ist, und zusätzlich ist axial im Abstand ein Durchgang 124 vorgesehen, welcher den rohrförmigen Körper 60 trägt und ausrichtet. Die Schultereinrichtung 66 kann mittels Presssitz in dem Durchgang 123 gebildet werden, und vorzugsweise ist eine nicht gezeigte geeignete Einrichtung vorgesehen, um den Durchgang 102 relativ zu der Hauptzyklinderkammer 17 auszurichten. In ähnlicher Weise ist der konische Abschnitt 96 so ausgelegt, dass er auf der scharfen Kante aufliegen kann, die sich durch den Schnitt des Durchgangs 120 und des Gegenbohrungssitzes 122 ergibt.
Ein Teil der Oberfläche des Kopfes 24, der mit dem Durchgang 120 verbunden ist, ist derart ausgestaltet, dass man eine konische Ausnehmung 121 erhält. Der Düsendurchgang 102 weist zu der konischen Ausnehmung 121.
Die Brennstoffzelle 50 ist eine selbstzündende Brennstoffzelle, d.h. eine Brennstoffzelle, die nur eine Selbstzündungskammer 100 hat und keine Zündeinrichtung (d.h. keine Zündkerze) oder eine ähnliche externe oder Fremdzündungseinrichtung hat, die in direkter Verbindung mit der Kammer 100 ist.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 5 bis 7 und 9 umfasst die Zylinderkopfanordnung 128 eine Abdeckung 129, welche nach der Abnahme die Ausrichtung der Gaseinlass- oder Einlassventile 26 und der Auslassventiie 28 zu der Brennerzellenanordnung 50 freilegt, die zwischen denselben angeordnet ist. Gehärtete Ringe 130 und 132 sind in die Ventilsitze 26 und 28 jeweils eingelassen.
Wie am deutlichsten aus Fig. 8 zu ersehen ist, haben die bei der Erfindung vorgesehenen Kolben 22 vorzugsweise eine als Stumpf ausgebildete sphärische Gestalt an ihren oberen Endflächen 23. Der Kolben kann als einteiliges Gussstück ausgelegt sein, oder er kann zweiteilig ausgelegt sein, wobei ein Stahlkopf 142 fest mit dem Kolbenschaft 140 verbunden ist. Geeignete Dichtringe 144 sowie eine Mehrzahl von Buchsen als Lager 146 für den Kolbenbolzen (nicht gezeigt) sind vorgesehen. Dieser als Stumpf ausgebildete sphärische Kolbenkopf 142 stellt eine bevorzugte Auslegungsform bei allen gasbetriebenen Brennkraftmaschinen dar. In Fig. 3 ist diese bevorzugte Ausführungsform mit einer gebrochenen Linie 23 dargestellt, während sich die durchgezogene Linie 23a auf den Kolbenkopf bezieht, der normalerweise bei Dieselbrennkraftmaschinen eingesetzt wird.
Die Dieselbetriebsart wird normalerweise beim Starten der Zweistoff-Brennkraftmaschinen eingesetzt, obgleich die halbkugelförmigen Kolbenköpfe nicht die effizienteste Ausgestaltungsweise bei der Dieselbetriebsart darstellt. Dennoch reichen sie für die bestimmungsgemässe Funktion aus, gemäss der diese ihren Zweck im Zusammenhang mit dem Starten, dem Aufwärmen und dem Betreiben der Brennkraftmaschine bei der Dieselbrennstoffbetriebsart erfüllen. Selbst wenn die Dieselbetriebsart zum Starten, Aufwärmen und zum vollständigen Betreiben mit Dieselbrennstoff genutzt wird, wird die Flüssigbrennstoffzelle nach wie vor weiterbetrieben, um diese sauber zu halten, selbst wenn dies nicht erforderlich wäre. Auch soll die Brennerzelle sofort einsatzfähig sein, wenn die Brennstoffquelle auf gasförmigen Brennstoff umgeschaltet wird.
Die Erfindung lässt sich auch bei Zweitakt-Brennkraftmaschinen sowie bei Viertakt-Brennkraftmaschinen anwenden. Der Durchmesser der Kolben, die bei diesen Brennkraftmaschinen vorgesehen sind, liegt im allgemeinen in der Grössenord-nung von 355,6 bis 500 mm (14 bis 20 inches), wobei der jeweilige Hub nicht von ausschlaggebender Bedeutung ist. Beim Arbeiten in der Gasbetriebsart wird die Brennerbrennstoffzelle kontinuierlich gezündet. Zweckmässigerweise wird ein fettes Brenngemisch eingesetzt, worunter zu verstehen ist, dass ein Luft/Brennstoffverhältnis von 10:1 vor-
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handen ist. Vorzugsweise beläuft sich dieses Verhältnis auf 8:1. Ein mageres Gemisch hätte ein Luft/Brennstoffverhältnis von mehr als 10:1, und es beläuft sich etwa auf näherungsweise 12:1.
Der Cetanwert des Flüssigbrennstoffes sollte so gewählt werden, dass unter einer vorbestimmten Temperatur und eines vorbestimmten Druckes eine Zündung möglich ist. Die Gaszündeinstellung sollte derart gewählt werden, dass unter diesem vorbestimmten Druck eine Selbstzündung auftritt, und daher ist es erforderlich, die Flüssigbrennstoff-Brennerzelle einzusetzen. Die Brennerzelle und ihr Flüssigbrennstoff sind so eingerichtet, dass eine Zündung unter dem Druck der in der oberen Zellen-kammer komprimierten Stoffe auftritt. Während die Verbindungsbohrung 102 eine Verbindung zwischen der Kammer 100 und der Hauptkolbenkammer 17 herstellt, nimmt die Brennerzelle die heissen, komprimierten Gase vom Kompressionshub des Kolbens 2 auf, und diese werden in die Kammer 100 mittels einer Verwirbelung durch die tangentiale Anordnung der Bohrung 102 eingebracht. Der Flüssigbrennstoff wird unter einem Winkel relativ zu dem Strom der komprimierten Luft eingeleitet, und er wird entweder durch die Wärme der Luft gezündet, oder er wird gezündet, wenn er die Wand der Kammer 100 berührt. Er strömt dann unmittelbar chemisch und thermisch aus der Bohrung 102 und dient zur Zündung des komprimierten gasförmigen Brennstoffs in der Hauptkammer 17.
In diesem Zusammenhang ist es wesentlich, dass die Brennerzellenanordnung 50 extern vorgesehen ist und nicht einen Teil der Zylinderkammer bildet. Somit kann die Brennerzelle sowohl als ein Teil der Grundausstattung bei der Herstellung bilden, als auch ein Teil, das zur relativ einfachen Nachrüstung oder Umrüstung bei älteren Einstoff-Brenn-kraftmaschinen zur Verfügung steht, oder das zur Verbesserung von Zweistoff-Brennkraftmaschinen genutzt werden kann.
Die Brennerzelle ermöglicht eine gesteuerte brennstoffreiche Verbrennung in der Brennerzelle. (Eine fette Verbrennung stellt ebenfalls eine wirksame Steuerungsweise im Hinblick auf gewisse Emissionen einschliesslich Stickoxiden sowie bei Flüssigbrennstoffen dar.)
Die Brennerzelle ermöglicht ferner die Verwendung einer sehr kleinen Menge des flüssigen Brennstoffes, da die Aufgabe des Flüssigbrennstoffs nunmehr im wesentlichen in der einfachen Zündung des leicht zündbaren, steuerbaren Gemisches in der Brennerzelle zu sehen ist.
Bei der Erfindung wird die Aufgabe zur Bereitstellung der Energie zum Zünden einer magerbeschickten Hauptbrennkammer von der direkten Einspritzung eines Flüssigpilotbrennstoffes in die Brennkammer zu einer Brennerzelle mit gesteuerter Verbrennung verlagert, die überwiegend die Energie durch einen gasförmigen Brennstoff liefert und leicht mit einer kleinen Menge eines Flüssigpilotbrennstoffes zur Zündung gebracht werden kann.
Das Spülen der Brennerzelle und die Einleitung des gasförmigen Brennstoffes in die Brennerzelle erfolgen mittels Druckänderungen in dem Brennkraftmaschinenzylinder während der Expansion und der Kompression. Das Spülen kann aber auch dadurch unterstützt werden, dass man eine zeitliche gesteuerte Ventilbetätigung oder ein Öffnen von Einlasseinrichtungen vorsieht, wenn gemeinsame oder gesonderte Quellen für Luft und/oder für Brennstoff für die Brennerzelle vorgesehen sind. Eine solche Auslegungsform ist in der Zeichnung nicht dargestellt.
Die Zündung der Brennerzelle erfolgt normalerweise durch das Einspritzen einer Brennstoffmenge (Zündstoff) mit einem ausreichenden Selbstzündungsvermögen (Cetanzahl), um das Einleiten der Verbrennung beim Eindringen des Luft/Brennstoffgemisches in die Brennerzelle zu erreichen, wobei die Temperatur des Gemisches durch die Zylinderkompression auf einen gewissen Wert angestiegen ist. Die Zündung kann auch dadurch eingeleitet werden, dass der Zündstoff in Kontakt mit einer heissen Fläche der Brennerzelle kommt. Auch können irgendwelche Bauarten von extern versorgten Heizeinrichtungen vorgesehen sein.
Brennstofföl mit einem akzeptablen Cetanwert ist heutzutage kostengünstig als Zündstoff verfügbar. Jedoch können auch andere Flüssigkeiten oder Gase im Hinblick auf die Zündwilligkeit, die Emissionssteuereigenschaften oder die Wirtschaftlichkeit gewählt werden. Die kleine Menge an Zündstoff, die bei der Brennerzelle erforderlich ist, ermöglicht den praktischen Einsatz von anderen Stoffen als das bisher übliche Brennöl.
Ein weiteres, wichtiges Anwendungsgebiet für die Erfindung ist darin zu sehen, dass man niedrigere Kompressionsverhältnisse bei den Brennkraftmaschinen zulassen kann, welche eine Versorgung mit empfindlichem Brennstoff (niedrige Oktanzahl) erforderlich machen. Die Zündquelle (Brennerzelle) kann hinsichtlich ihrer Ausgestaltung mehr oder weniger abhängig von der Wärme gewählt werden, die durch die Kompression erzeugt wird, und daher kann sie auch bei speziellen Anwendungsgebieten zur Erfüllung ihrer Funktion kleiner bemessen werden. Eine Wärmesenke sowie die Verwendung von extern gespeisten Wärmequellen bieten eine weitgehende Flexibilität beim Einsatz.
Die Leistungsfähigkeit einer Diesel-Brennkraft-maschine bleibt unverändert bei der Erfindung aufrechterhalten, und es wird eine übliche Einspritzan-lage 40 im Zylinderkopf 24 vorgesehen, welche gegebenenfalls gekühlt werden kann und die die Funktionsfähigkeit im Bereitschaftsbetrieb aufrechterhält. Das Umschalten während des Arbeitens auf und von der Betriebsart mit vollständiger Dieselspeisung kann mit Hilfe von üblichen, heutzutage verfügbaren Verfahrensweisen bewerkstelligt werden.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die voranstehend beschriebenen Einzelheiten der bevorzugten Ausführungsformen beschränkt, sondern es sind zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, die der Fachmann im Bedarfsfall treffen wird, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    1. Zweistoff-Hubkolben-Brennkraftmaschine, welche sowohl einen gasförmigen Brennstoff als auch einen flüssigen Brennstoff nutzen kann, gekennzeichnet durch eine extern angeordnete Brennerzelle (50) zum Zünden des gasförmigen Brennstoffs.
    2. Zweistoff-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die externe Brennerzelle (50) eine Öffnungseinrichtung (102) hat, mittels der eine Verbindung mit wenigstens einem Zylinder (16) der Zweistoff-Brennkraftmaschine herstellbar ist, und dass die Brennerzelle eine Selbstzündungskammer (100) hat.
    3. Zweistoff-Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Selbstzündungskammer (100) ein Volumen von 1 bis 25% des Volumens einer Hauptkolbenkammer hat, wenn man das Volumen misst, wenn ein Kolben (22) in der Kolbenkammer (17) in der oberen Kolbenhubstellung ist.
    4. Zweistoff-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerzelle (50) extern versorgbare Heizeinrichtungen zum Anheben des Temperaturgradienten an den inneren Flächen der Brennerzelle umfasst, welche den Zweck verfolgen, die Zündung bei einem Kontakt des flüssigen Brennstoffes mit der Kammerfläche der Brennerzelle auszulösen.
    5. Zweistoff-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerzelle (50) eine innere, im allgemeinen segmentierte sphäroparaboioidförmige Selbstzündungskammer (100), einen Durchgang (102), der eine Verbindung zwischen der Brennerzellenkammer (100) und der Hauptkammer (17) des Zylinders (16) der Hubkolben-Brennkraftmaschine herstellt, welche von einem Kolben (22) und Zylinderwandungen und dem Zylinderkopf (24) begrenzt wird, wenn der Kolben sich in seiner obersten Stellung im An-schluss an den Kompressionshub befindet, und eine Einrichtung (80) umfasst, mittels welcher Flüssigbrennstoff in die Brennerzellenkammer (100) an der oberen Stellung beim Kompressionshub eingeleitet wird.
    6. Zweistoff-Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchgang (102), der eine Verbindung mit der Brennerzellenkammer (100) herstellt, im wesentlichen tangential relativ zu der Zellenkammer angeordnet ist, so dass durch den Kolben komprimierte und über den Durchgang in die Brennerzellenkammer eingeleitete Luft darin verwirbelt wird.
    7. Zweistoff-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerzellenanordnung (50) eine Einspritzeinrichtung (80) zum Einleiten eines flüssigen Brennstoffes in die Brennerzellenkammer (100) umfasst, und dass die Einspritzeinrichtung (80) unter einem Winkel relativ zur axialen Durchmesserrichtung der Brennerzellenkammer (100) angeordnet ist.
    8. Zweistoff-Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzeinrichtung zwischen 4 und 5° versetzt zur Achse der Brennerzellenkammer angeordnet ist.
    9. Zweistoff-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Brennkraftmaschine eine Mehrzahl von Zylindern hat und jeder Zylinder einen Kolben, zwei Einlassventile, zwei Auslassventile und eine erste Flüssigbrennstoffeinspritz-einrichtung hat, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Brennstoffbrennerzelle (50) vorgesehen ist, die mit wenigstens einem Zylinder (16) wirkverbunden ist,
    die Brennerzeile eine Brennerzellendüse (90) an einem Ende hat und am anderen Ende eine Einrichtung zum Verbinden der Brennerzelle mit einer Brennstoffversorgung hat,
    eine zweite Brennstoffeinspritzeinrichtung (80), die an der Brennerzelle unter einem vorbestimmten Winkel zu einer Achse der Brennerzeile angebracht ist,
    die Brennerzelle eine Selbstzündungskammer (100) bildet,
    die zweite Brennstoffeinspritzeinrichtung in Betriebsverbindung mit der Selbstzündungskammer durch einen Einspritzdüsendurchgang (70) ist, der Einspritzdüsendurchgang (70) in die Selbstzündungskammer (100) unter einem vorbestimmten Winkel relativ zur Achse einmündet, und ein Brennerdüsendurchgang (102) vorgesehen ist, der die Selbstzündungskammer (100) mit dem Zylinder (16) unter einem vorbestimmten Winkel zu einem oberen inneren Teil eines Zylinderkopfs (24) verbindet.
    10. Zweistoff-Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerzelle an dem einen Ende einen massiven Abschnitt (62) hat,
    der massive Abschnitt ein erstes und ein zweites Ende hat,
    der Einspritzdüsendurchgang (70) durch den massiven Abschnitt geht,
    der Einspritzdüsendurchgang (70) derart bemessen ist, dass die zweite Brennstoffeinspritzeinrichtung (80) unter einem vorbestimmten Winkel zu einer Achse der Brennerzelle gehalten ist,
    das zweite Ende die Brennerdüse hat, und einen im allgemeinen segmentförmigen sphärischen Hohlraum (52) bildet, wobei der sphärische Teil mit dem Einspritzdüsendurchgang wirkverbunden ist, und die mit einem im aligemeinen segmentierten, paraboloidförmigen Hohlraum (39) verknüpft ist, der komplementär zu dem segmentierten sphärischen Hohlraum ausgebildet ist, um eine Selbstzündungskammer (100) zu bilden, die eine im allgemeinen segmentierte sphäroparaboioidförmige Gestalt hat, und der Brennerdüsendurchgang (102) über das Segment (95) des segmentierten paraboloidförmigen Hohlraums (93) eine Verbindung mit der Selbstzündungskammer (100) herstellt.
    11. Brennstoffbrennerzelle für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, die wenigstens einen Zylinder hat und bei der der Zylinder einen hiermit zusammenarbeitenden Kolben, wenigstens ein Einlassventil, wenigstens ein Auslassventil und eine Brennstoffeinspritzeinrichtung hat, dadurch gekennzeichnet, dass
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    die Brennerzelle (50) eine Brennerzellendüse (90) an einem Ende und am anderen Ende eine Einrichtung zum Verbinden der Brennerzelle mit einer Brennstoffversorgung hat,
    eine Brennstoffeinspritzeinrichtung (80) in der Brennerzelle unter einem vorbestimmten Winkel zu einer Achse der Brennerzelle angeordnet ist, die Brennerzelle eine Selbstzündungskammer (100) begrenzt,
    die Brennstoffeinspritzeinrichtung (80) der Brennerzelle, in Betriebsverbindung mit der Selbstzündungskammer über einen Einspritzdüsendurchgang (70) ist,
    der Einspritzdüsendurchgang (70) in die Selbstzündungskammer (100) unter einem vorbestimmten Winkel relativ zur Achse einmündet, und einen Brennerdüsendurchgang (102) zum Verbinden der Selbstzündungskammer (100) mit dem Zylinder unter einem vorbestimmten Winkel an einem oberen, inneren Teil eines Zylinderkopfes (24) hat.
    12. Brennerzelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Selbstzündungskammer (100) der Brennerzelle als Betriebsverbindung an einem Ende einen Einspritzdurchgang hat,
    der Einspritzdurchgang (70) derart bemessen ist, dass die Einspritzeinrichtung (80) der Brennerzelle unter einem vorbestimmten Winkel zu einer Achse in der Brennerzelle gehalten ist, die Selbstzündungskammer an einem Ende eine im allgemeinen segmentierte sphärische Gestalt (52) hat, und der sphärische Abschnitt mit dem Einspritzdüsendurchgang (70) betriebsverbunden ist, und die Kammer am anderen Ende eine im allgemeinen segmentierte paraboloidförmige Gestalt (93) hat, die komplementär zu dem segmentierten sphärischen Ende ausgebildet ist, um hierdurch eine im allgemeinen segmentierte sphäroparaboioidförmige Selbstzündungskammer (100) zu bilden, und der Brennerdüsendurchgang (102) die Selbstzündungskammer (100) über das Segment (95) des segmentierten paraboloidförmigen Teils verbindet.
    13. Zylinderkopf (24) für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, die eine Mehrzahl von Zylindern hat und bei der jeder Zylinderkopf mit diesem betriebsverbunden wenigstens ein Einlassventil und wenigstens ein Auslassventil hat, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung an diesem vorgesehen ist, mittels der wenigstens eine der Brennerzellen nach Anspruch 11 oder 12 angebracht werden kann.
    14. Zylinderkopf nach Anspruch 13 für eine Brennkraftmaschine, bei der jeder Zylinderkopf betriebsverbunden damit zwei Einlassventile, zwei Auslassventile und eine Flüssigbrennstoffein-spritzeinrichtung hat, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Flüssigbrennstoffbrennerzellen (50) mit dem Zylinderkopf (25) betriebsverbunden sind, die Brennerzellen (50) mit dem Zylinderkopf in der Nähe eines Zylinderkopfumfangs betriebsverbunden sind, und diese jeweils zwischen einem Einlassventil (26) und einem Auslassventil (28) vorgesehen sind,
    die Brennerzelle einen im allgemeinen rohrförmigen
    Einspritzkörper (60) mit einem massiven Abschnitt (62) an einem Ende und einer entsprechenden Einrichtung am anderen Ende hat, mittels der der rohr-förmige Körper geschlossen ist, und welcher den rohrförmigen Körper mit einem Flüssigbrennstoffvorrat verbindet,
    der massive Abschnitt wenigstens ein erstes und ein zweites Ende hat,
    das erste Ende in kommunizierender Verbindung mit dem rohrförmigen Einspritzkörper ist, ein Einspritzdurchgang (70) durch den massiven Teil geht,
    der Einspritzdurchgang derart bemessen ist, dass eine zweite Flüssigbrennstoffeinspritzeinrichtung (80) unter einem vorbestimmten Winkel zu einer Achse des rohrförmigen Körpers gehalten ist, die zweite Einspritzeinrichtung (80) in dem rohrförmigen Einspritzkörper (60) und dem Einspritzdurchgang (70) angeordnet ist, das zweite Ende einen im allgemeinen halbkugelförmigen Hohlraum (52) begrenzt,
    der halbkugelförmige Hohlraum (52) ein vorbestimmtes Volumen hat und im allgemeinen symmetrisch um die Achse des rohrförmigen Körpers ausgelegt ist, die zweite Brennstoffeinspritzeinrichtung eine Einspritzdüse (84) hat,
    die Einspritzdüse (84) in Betriebsverbindung mit dem halbkugelförmigen Hohlraum (52) durch einen Einspritzdüsendurchgang (70) ist, der Düsendurchgang (70) in den halbkugelförmigen Hohlraum unter einem vorbestimmten Winkel relativ zur Achse einmündet,
    eine Brennerdüse (90) in dichtender Verbindung (104) mit dem zweiten Ende vorgesehen ist, die Brennerdüse (90) einen segmentierten, paraboloidförmigen Düsenhohlraum (93) bildet, der komplementär zu dem halbkugelförmigen Hohlraum (51 ) ausgelegt ist, um in Kombination eine im allgemeinen segmentierte sphäroparaboioidförmige Selbstzündungskammer (100) zu bilden, ein Brennerdüsendurchgang (102) die Selbstzündungskammer (100) unter einem vorbestimmten Winkel mit einem oberen, inneren Abschnitt des Zylinderkopfs (24) verbindet und direkt zu einem inneren Teil eines Zylinderkopfs weist, der eine konische Ausnehmung (121) hat, die an diesem ausgebildet ist und die in Richtung von dem Brennerdüsendurchgang (102) weg konisch verläuft.
    15. Verbrennungsverfahren für eine Zweistoff-Hubkolben-Brennkraftmaschine, welches die Schritte umfasst, gemäss denen ein gasförmiges Brennstoffgemisch in die Kammer eines Zylinders der Brennkraftmaschine eingeleitet wird, das gasförmige Brennstoffgemisch mittels eines hin- und hergehend beweglichen Kolbens in dem Zylinder komprimiert wird und das komprimierte Brennstoffgemisch an der oberen Stelle des Kompressionshubes in der Zylinderkammer gezündet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das komprimierte Brennstoffgemisch mittels einer Brennstoffbrennerzelle gezündet wird, die ausserhalb des Zylinders angeordnet ist, und dass die Brennerzelle eine Selbstzündungskammer hat.
    16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des komprimierten gas-
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    förmigen Gemisches in die Brennerzelle über eine Verbindungseinrichtung eingeleitet wird, die mit der Zylinderkammer in Verbindung steht, und dass ein selbstzündender fluidförmiger Brennstoff in die Zelle eingeleitet wird, um die Zündung des Fluid-brennstoffs beim Kontakt mit dem komprimierten Gemisch und die Zündung des komprimierten gasförmigen Gemisches in der Zylinderkammer über die Verbindungseinrichtung zu bewirken.
    17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Gemisch in der Zylinderkammer ein brennstoffarmes Gemisch ist, um eine vollständige Verbrennung des gasförmigen Gemisches sicherzustellen.
    18. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine ein oder mehrere Zylinder und eine oder mehrere Brennerzellen hat, die Menge des Selbstzündungsbrennstoffes, der in die Selbstzündungskammer des Brenners oder die Selbstzündungskammern desselben eingeleitet wird, ein Bruchteil von ein bis fünf Prozent des von der Brennkraftmaschine verbrauchten Gesamtbrennstoffs in Abhängigkeit von der relativen Grösse, der Geometrie und der Anzahl der Selbstzündungskammern ist.
    19. Verfahren nach Anspruch 16 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerzelle eine im wesentlichen sphärische Kammer umfasst, die Verbindungseinrichtung tangential relativ zu der Brennerzellenkammer angeordnet ist, um einen Ver-wirbelungseffekt bei dem komprimierten gasförmigen Gemisch zu erzielen, das in die Brennerzellenkammer von der Zylinderkammer eingeleitet wird, und dass der Brennstoff in das komprimierte, verwirbelte, gasförmige Gemisch unter einem vorbestimmten Winkel eingeleitet wird, um sich mit diesem Strom zu koppeln und eine vollständige Verbrennung im Anschluss an die Zündung sicherzustellen.
    20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Winkel zwischen vier und fünf Grad schiefwinklig zur Achse der Brennerzellenkammer ist, wodurch eine vollständige Vermischung des Brennstoffs mit dem komprimierten gasförmigen Gemisch sichergestellt wird, welches über die Verbindungseinrichtung eingeleitet wurde.
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