DE102006012608B4

DE102006012608B4 - Vorrichtung zum Einbringen von Kraftstoff für eine Kraftmaschine

Info

Publication number: DE102006012608B4
Application number: DE102006012608A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-06-28
Filing date: 2006-03-16
Publication date: 2012-11-29
Anticipated expiration: 2026-03-17
Also published as: DE102006012608A1

Abstract

Vorrichtung zum Einbringen von Kraftstoff für eine Kraftmaschine, mit einer über mindestens einen Schusskanal (17) mit einem Verdichtungsraum (4) verbundenen Vorkammer (12), in welche eine Einspritzdüse (18) für den Kraftstoff und eine Laserstrahlvorrichtung (20) mündet, durch welche ein Laserstrahl in der Vorkammer (12) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hitzekörper (15) aufgeheizt wird, sodass durch den Laserstrahl eine mittelbare Aufheizung des Kraftstoffes in der Vorkammer (12) erzeugbar ist, derart, dass der erhitzte Kraftstoff zu einem heissen Plasma wird, welches im luftreichen Verdichtungsraum (4) explosionsartig reagiert und verbrennt, wobei durch die Laserstrahlvorrichtung (20) der der Vorkammer (12) zugeordnete Hit- zekörper (15) aus einem hitzebeständigen Material mit dem Laserstrahl beaufschlagbar ist, wobei die Vorkammer (12) innerhalb eines Körpers (11) aus einem wärmeisolierenden Material gebildet ist, und dass der Hitzekörper (15) in einem an die Vorkammer (12) anschliessenden Hohlraum (13) des Körpers (11) angeordnet ist, wobei der die Vorkammer (12) mit dem Verdichtungsraum...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen von Kraftstoff für eine Kraftmaschine, gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.
Bei Kraftmaschinen, wie Einspritz- bzw. Verbrennungsmotoren, verbrennt bekanntlich der eingespritzte Kraftstoff unter der Wirkung der hohen Verdichtungstemperatur, wobei bei Dieselmotoren eine Selbstzündung stattfindet. Neben einer direkten Einspritzung des Kraftstoffes mit sehr hohem Einspritzdruck unmittelbar in den Verdichtungsraum ist auch ein sogenanntes Vorkammerverfahren bekannt, bei welchem der Kraftstoff mit mässigerem Einspritzdruck in eine mit dem luftreichen Verdichtungsraum über eine Verengung bzw. über mindestens einen Schusskanal verbundene Vorkammer eingespritzt wird, sich dort entzündet und verbrennt teilweise, und das brennende Gemisch durch einen momentan entstehenden Überdruck über den Schusskanal in den luftreichen Verdichtungsraum geblasen wird. Die Wände der Vorkammer werden so heiss wie möglich gehalten, um die Aufbereitung und Zündung des Kraftstoffes zu unterstützen.
In der Druckschrift US-A-4,434,753 ist ein Dieselmotor beschrieben, bei welchem ein Lichtstrahl von einer Quelle kondensiert und durch einen Reflektor umgelenkt wird, dies zur Erzeugung von einer Vielzahl von fokusierten Punkten in einer Sub-Brennkammer, in welcher die Zündung erfolgen soll. Es wird an der Stelle, wo dieser Licht- bzw. Laserstrahl in die Vor- bzw. Brennkammer gelangt, der Brennstoff gezündet, sei es in der Brennkammer oder in der Sub-Brennkammer.
Gemäss der Druckschrift US-A-5,756,924 soll ein kurzer Laserpuls ein Plasma bilden und die Kraftstoffverbrennung einleiten, und ein längerer Laserpuls zur Kontaktierung des Plasmas und der Stabilisierung und Aufrechterhaltung der Verbrennung. Damit ist nachteilig, dass mit dem Laserpuls auch eine Zündung erfolgt.
In der Druckschrift DE-A-35 02 767 ist ein Verfahren Zur Aufbereitung von flüssigem Brenn- bzw. Kraftstoff für Verbrennungsanlagen oder – motoren geoffenbart, bei welchem mittels einer durch einen Laser durchsetzte Heizkammer der Kraftstoff aufgeheizt und in den Verbrennungsraum geleitet wird. Eine blosse Erhitzung des Kraftstoffes bewirkt aber nur eine ungenügende Verbesserung des Wirkungsgrades.
In der Druckschrift WO-A-2004/001221 ist ein Starthilfsmittel für einen Verbrennungsmotor geoffenbart, bei welchem durch einen Laserstrahl in einem Brennraum eine thermische Energie erzeugt wird. Eine solche Erhitzung des Kraftstoffes nützt nur beim Start, nicht aber im Warmzustand des Motors.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art vorzuschlagen sowie eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zu schaffen, die eine effizientere Kraftstoffverbrennung bzw. Kraftstofferhitzung ermöglichen bzw. den Wirkungsgrad der Kraftmaschine verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 3 gelöst.
Bevorzugte Weitergestaltungen des erfindungsgemässen Verfahrens und der erfindungsgemässen Vorrichtung bilden den Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren zum Einbringen von Kraftstoff in den Verdichtungsraum eines Verbrennungsmotors und mit der zum Durchführen des Verfahrens vorgesehenen Vorrichtung kann der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors verbessert werden. Der Verbrennungsprozess kann durch Einstellen der optimalen Temperatur in der Vorkammer optimal gesteuert und wiederholbar ablaufen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung naher erläutert. Es zeigt:
1 einen Teil eines Zylinderkopfes mit einer erfindungsgemässen Vorrichtung zum Einbringen von Kraftstoff in einen Verdichtungsraum eines Verbrennungsmotors.
1 zeigt einen Teil eines Kolbens 1, eines Zylinders 2 sowie eines Zylinderkopfes 3, die beispielsweise für einen Viertakt-Dieselmotor vorgesehen sind. Im Zylinderkopf 3 ist eine erfindungsgemässe Vorrichtung 10 zum Einbringen von Kraftstoff in einen oberhalb des Kolbens 1 befindlichen Verdichtungsraum 4.
Die Vorrichtung 10 umfasst einen aus einem wärmeisolierenden Material, vorzugsweise Keramik, bestehenden Körper 11, der eine sich konisch nach unten verjüngende Vorkammer 12 umschliesst. An die Vorkammer 12 schliesst sich ein im wesentlichen eierförmiger Hohlraum 13 an, und an diesen eine Auslaufkammer 14, die sich konisch nach unten erweitert und in den Verdichtungsraum 4 mündet.
Im Hohlraum 13 befindet sich ein Hitzekörper 15 aus einem hitzebständigem druckresistenten Material, beispielsweise aus Keramik, der in seiner Form dem Hohlraum 13 entspricht und in diesen derart eingesetzt ist, dass an seinem Umfang ein die Vorkammer 12 mit der Auslaufkammer 14 und über diese auch mit dem Verdichtungsraum 4 verbindende Kanal 17, ein sogenannter Schusskanal, gebildet ist. Es könnten allerdings auch mehrere Schusskanäle 17 vorzugsweise zwischen dem Hitzekörper 15 und dem Körper 11 vorgesehen sein.
In die Vorkammer 12 mündet von oben eine Einspritzdüse 18 für den Kraftstoff sowie eine Laserstrahlvorrichtung 20, mittels welcher der Hitzekörper 15 mit einem Laserstrahl beaufschlagbar und dadurch innerhalb kürzester Zeit stark erhitzbar ist, dabei Temperaturen über 1000° Celsius erreichbar sind. Das wärmeisolierende Material des Körpers 11 verhindert die Wärmeabgabe an die Umgebung.
Der in die Vorkammer 12 eingespritzte Kraftstoff wird vom Laserstrahl und/oder vom Hitzekörper 15 ebenfalls erhitzt und wird zu einem reaktionsaggressivem, heissen Plasma, das über den Schusskanal bzw. die Schusskanäle 17 in den luftreichen Verdichtungsraum 4 gelangt, wo es explosionsartig mit der Sauerstoffumgebung reagiert und verbrennt. Dabei entsteht ein Expansionsdruck zur Verrichtung von Arbeit.
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren zum Einbringen von Kraftstoff in den Verdichtungsraum eines Verbrennungsmotors und mit der zum Durchführen des Verfahrens vorgesehenen Vorrichtung kann der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors wesentlich verbessert werden. Der Verbrennungsprozess kann durch Einstellen der optimalen Temperatur in der Vorkammer optimal gesteuert und wiederholbar ablaufen.
Die Formen der Kammern 12, 14 und des Hohlraumes 13 können selbstverständlich auch anders ausgebildet sein. Auch die Anordnung des Düsenkörpers könnte unterschiedlich zu dem dargestellten Ausführungsbeispiel sein. Anstelle dieses eierförmigen Hohlraumes könnte auch mittels eines Röhrchens ein zylindrischer Durchlass gebildet sein.
Die Erfindung eignet sich für verschiedene Kraftmaschinen, so auch für Triebwerke oder Raketen-Triebwerke, aber auch für Heizungsbrenner.
Wie bereits oben erwähnt ist, kann die Laserstrahlvorrichtung 20 so ausgerichtet sein, dass sie nur das einströmende Kraftstoffgemisch aufwärmt, oder eben wie dargestellt, kann es auch das Gemisch und vorzugsweise vorgängig den Hitzekörper auf die gewünschte Temperatur aufwärmen. Theoretisch könnte der Hitzekörper auch durch eine andere zusätzliche Heizquelle erhitzt werden.
Die Vorrichtung kann im Unterschied zur oben erläuterten Ausführung auch dergestalt ausgeführt sein, dass der Kraftstoff durch die vom Laser erzeugte Erhitzung von einem flüssigen in einen verdampften Zustand gebracht wird. Man macht sich die dadurch entstehende Expansionsenergie zu Nutzen und es erfolgt dementsprechend keine Verbrennung dieses Kraftstoffes.

Claims

Vorrichtung zum Einbringen von Kraftstoff für eine Kraftmaschine, mit einer über mindestens einen Schusskanal (17) mit einem Verdichtungsraum (4) verbundenen Vorkammer (12), in welche eine Einspritzdüse (18) für den Kraftstoff und eine Laserstrahlvorrichtung (20) mündet, durch welche ein Laserstrahl in der Vorkammer (12) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hitzekörper (15) aufgeheizt wird, sodass durch den Laserstrahl eine mittelbare Aufheizung des Kraftstoffes in der Vorkammer (12) erzeugbar ist, derart, dass der erhitzte Kraftstoff zu einem heissen Plasma wird, welches im luftreichen Verdichtungsraum (4) explosionsartig reagiert und verbrennt, wobei durch die Laserstrahlvorrichtung (20) der der Vorkammer (12) zugeordnete Hit- zekörper (15) aus einem hitzebeständigen Material mit dem Laserstrahl beaufschlagbar ist, wobei die Vorkammer (12) innerhalb eines Körpers (11) aus einem wärmeisolierenden Material gebildet ist, und dass der Hitzekörper (15) in einem an die Vorkammer (12) anschliessenden Hohlraum (13) des Körpers (11) angeordnet ist, wobei der die Vorkammer (12) mit dem Verdichtungsraum (4) verbindende Schusskanal (17) zwischen dem Hohlraum (13) und dem Umfang des Hitzekörpers (15) gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer (12) sich konisch zum Hohlraum (13) hin verjüngend ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (13) sowie der Hitzekörper (15) im wesentlichen eierförmig ausgebildet sind.