DE102006018973A1

DE102006018973A1 - Laserzündung in einer Vorkammer

Info

Publication number: DE102006018973A1
Application number: DE102006018973A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr. Kuhnert; Reinhard Dr. Latsch
Original assignee: KUHNERT LATSCH GbR VERTRETUNGS; Kuhnert-Latsch-Gbr (vertretungsberechtigter Gesellschafter Herr Dr-Ing Reinhard Latsch 76530 Baden-Baden)
Current assignee: KUHNERT LATSCH GbR VERTRETUNGS; Kuhnert-Latsch-Gbr (vertretungsberechtigter Gesellschafter Herr Dr-Ing Reinhard Latsch 76530 Baden-Baden)
Priority date: 2006-04-25
Filing date: 2006-04-25
Publication date: 2007-10-31

Abstract

Verbesserung der Eigenschaften der Laserzündung bei einem Verbrennungsmotor durch Verlagerung der Zündstelle in eine Vorkammer, insbesondere einer Vorkammerzündkerze. Dabei wird während des Kompressionstaktes vom Hauptbrennraum ein mit Luft oder Abgas verdünntes Kraftstoff-Luft-Gemisch über Überströmkanäle zugeführt. Bei Annäherung an den oberen Totpunkt des Kolbens erfolgt in der Vorkammer eine Entflammung des Gemischs mit der Laserzündung, wobei am Zündort ein für die Laserzündung besonders günstiger Gemischzustand eingestellt wird, der die sichere Entflammung des Kraftstoff-Luft-Gemischs ermöglicht. Durch die schnelle Verbrennung des Gemischs in der Vorkammer werden Zündfackelstrahlen erzeugt, die zu einer schnellen und gleichmäßigen Umsetzung des Gemischs im Hauptbrennraum führen. Das wiederum bewirkt geringe NOx-Emissionen und Drehmomentschwankungen sowie einen niedrigen Kraftstoffverbrauch des Motors.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Eigenschaften einer Laserzündung bei einem Verbrennungsmotor durch Verlagerung der Zündstelle in eine Vorkammer, insbesondere einer Vorkammerzündkerze. Dabei wird während des Kompressionstaktes vom Hauptbrennraum insbesondere ein mit Luft oder Abgas verdünntes Kraftstoff-Luft-Gemisch über Überströmkanäle der Vorkammer zugeführt. Bei Annäherung an den oberen Totpunkt des Kolbens erfolgt in der Vorkammer eine Entflammung des Gemischs mit der Laserzündung, wobei am Zündort ein für die Laserzündung besonders günstiger Gemischzustand erzeugt wird, der die sichere Entflammung des Gemischs ermöglicht. Durch eine besonders schnelle Verbrennung des Gemischs in der Vorkammer werden Zündfackelstrahlen erzeugt, die zu einer schnellen und gleichmäßigen Umsetzung des Gemischs im Hauptbrennraum führen.
In den vergangenen Jahren wurden verschiedene Laserzündeinrichtungen für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen. Diese sind aber bisher noch sehr teuer bzw. aufwändig ( DE 199 11 737 , US 6 053 140 , WO 2005/028856, WO 2005/021959, DE 200 32 0983 , DE 103 50 101 ). Erst in neuerer Zeit ergeben sich, insbesondere als Folge von Kostensenkungen bei den Bauelementen, Möglichkeiten für die praktische Anwendung bei Motoren, insbesondere bei Großgasmotoren (siehe hierzu: Laserzündung für die Verbrennungsentwicklung, CRT Carinthian Tech Research AG, A-9524 Villach).
Ein wesentlicher Nachteil der Laserzündung ist der, dass diese nur einen extrem kleinen Zündkern erzeugt, wobei im Zusammenhang mit der vergleichsweise grobballigen Strömungs- und Turbulenzstruktur im Brennraum, insbesondere von Großgasmotoren, lokal am Zündort sehr stark schwankende Ladungszustände (Zusammensetzung, Temperatur, Geschwindigkeit, Turbulenz) bestehen. Dadurch ergeben sich größere Schwankungen bei der Entflammung und damit insbesondere auch beim Drehmoment des Motors. Weiterhin besteht bei dem wichtigen Kraftstoffen Erdgas bzw. Methan das besondere Problem, dass das Gemisch unmittelbar nach der Entflammung wieder verlöscht, wenn eine gezielte Zumischung von Frischgemisch zu dem erzeugten kleinen Flammenkern unterbleibt. Aus den vorgenannten Gründen kann deshalb das Zündungs- und verbrennungstechnische Potential der Laserzündung bisher nicht voll genutzt werden. Zudem ergeben sich bei längerem Betrieb Verschmutzungen bzw. Ablagerungen auf der den rauen Brennraumbedingungen ausgesetzten Oberfläche des optischen Fensters der Laserzündeinrichtung, was im Langzeitbetrieb zu einer Verminderung der Energieübertragung von der Laserzündeinrichtung an die Zündstelle führt.
Im Vergleich zu einer eine im Wettbewerb mit der Laserzündung stehenden Zündung in einer Vorkammer, wird bei der Laserzündung im „offenen" Brennraum zudem eine schnelle und gleichmäßige Ausbreitung der Flammenfront vom Zündort aus in alle Bereiche des Brennraums hinein nicht befördert. Zudem ergeben sich dabei wegen der feinballigen Turbulenzstruktur innerhalb der Vorkammer bessere Entflammungsbedingungen.
Vorkammerzündeinrichtungen, insbesondere Vorkammerzündkerzen, sind seit vielen Jahren bekannt und auch in die Serie eingeführt worden, insbesondere bei mager und/oder mit Abgasrückführung stationär betriebenen Gasmotoren. Sie werden vor allem zur Verminderung der NOx-Rohemission eines Verbrennungsmotors bei gleichzeitig niedrigen Werten für den Kraftstoffverbrauch und die Drehmomentschwankungen verwendet. Zur Verbesserung der Eigenschaften wurden in neuerer Zeit Lösungen vorgeschlagen, bei denen durch Anreicherung des mageren Gemischs in der Vorkammer mit Kraftstoff verbessern Zündungs- und Entflammungseigenschaften erreicht werden ( DE 197 14 796 , DE 10 2004 039 818 , DE 10 2004 043 143 , DE 100 16 558 ). Diese Verfahren sind aber sehr aufwändig, da sie neben dem Gemischbildungssystem für das Hauptgemisch im Hauptbrennraum ein zusätzliches Gemischbildungs- oder Einspritzsystem zur Bildung des Gemischs in der Vorkammer mit erfordern.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nach Vorstehendem einerseits darin, die Eigenschaften der Laserzündung, insbesondere bei Großgasmotoren, hinsichtlich Sicherheit und Gleichmäßigkeit der Entflammung und Verbrennung, bei gleichzeitig hoher Langzeiteigenschaften, insbesondere für die Eigenschaften des optischen Fensters der Laserzündeinrichtung, zu verbessern und andererseits den Aufwand bei der Verbesserung der Entflammung bei Vorkammermotoren zu vermindern, wobei insbesondere eine sichere Entflammung und gleichmäßige Energieumsetzung bei Luftzahlen Lambda > 2,0 erreicht wird, was mit dem jeweiligen Einzelsystem (Laserzündung, Vorkammerzündung) nicht möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kombination der Laserzündung mit einer Vorkammeranordnung gelöst, wobei insbesondere optimale Merkmale für die Geometrie der Vorkammer mit seinen Überströmkanälen, für die Lage der Zündstelle in der Vorkammer sowie Maßnahmen zur Vermeidung von Ablagerungen auf der Oberfläche des optischen Fensters für eine Vorkammer-Zündkerze angegeben werden.
Einzelheiten
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Vorkammerzündkerze mit Vorkammer, Überströmkanälen, zentral angeordneter Laserzündeinrichtung mit einem optischem Fenster im hinteren und einer Zündstelle im vorderen Bereich der Vorkammer,
2 einen Schnitt A-A durch den vorderen Teil der Anordnung nach 1
3 eine Vorkammerzündkerze mit zweigeteilter Vorkammer, Überströmkanälen, zentral angeordneter Laserzündeinrichtung mit einem optischem Fenster im hinteren und einer Zündstelle im vorderen Bereich der Vorkammer.
1 zeigt eine Vorkammerzündkerze (1) mit einer insbesondere im Wesentlichen zylindrischen Vorkammer (2) in Form einer in den Zylinderkopf (3) einschraubbaren Anordnung, wobei insbesondere mehrere Überströmkanäle (4) eine Verbindung zwischen der Vorkammer und dem Hauptbrennraum (5) herstellen. Die insbesondere im Wesentlichen zentral angeordnete Laserzündeinrichtung (6) besitzt ein optisches Fenster (7), das vorteilhaft im Wesentlichen mit der hinteren Stirnfläche der Vorkammer (8) fluchtet. Weiterhin ist der Strahlengang von Laserstrahlen (9) gezeigt, die insbesondere im vorderen Bereich der Vorkammer (2) fokussiert sind und dort eine Zündstelle (10) bilden. Die während des Verdichtungstaktes in den Überströmkanälen (4) erzeugten Eintrittstrahlen in die Vorkammer (11) treffen sich mit ihren Achsen vorteilhaft in einem im Wesentlichen achsnahen Treffpunkt (12), der sich insbesondere im Bereich der Zündstelle (10) befindet. Der Treffpunkt (12) und dessen Umgebung ist ein ausgewählter Bereich innerhalb der Vorkammer mit hoher und besonders feinballiger Turbulenz, der sich insbesondere in Verbindung mit der sehr kurzen Entladedauer des Lasers mit hoher kurzzeitiger Leistung, in hervorragender Weise zu einer sicheren Entflammung des Gemischs in der Vorkammer, mit einem gewünschten schnell wachsenden Flammenkern, eignet.
Besonderem vorteilhaft für die Zündung ist dabei, dass das an der Zündstelle (10) zu zündende Kraftstoff-Luft-Gemisch während des Verdichtungstaktes des Motors auf dem schnellsten und kürzestmöglichen Weg aus dem Hauptbrennraum zur Zündstelle gelangt. Dadurch wird das bei Verdichtungsbeginn noch allein in der Vorkammer befindliche unbrennbare Restgas aus dem vorhergehenden Arbeitzyklus während des Verdichtungstaktes durch die sich ausbildende Strömung in den hinteren Teil der Vorkammer verdrängt. Zudem führt die vorgeschlagene Lage der Zündstelle (10) zu besonders geringe Schwankungen der Gemischzusammensetzung und Gemischtemperatur, weil insbesondere als Folge des Zustroms des Gases über die Überströmkanäle (4) aus unterschiedlichen Bereichen des Hauptbrennraums (5) vor der Vorkammer (2), die Gemischzusammensetzung und die Gemischtemperatur an der Zündstelle jeweils gemittelt werden. Durch die im Wesentlichen achsnahe Lage der Zündstelle (10) sind zudem die Löscheffekte durch feste Oberflächen auf den sich nach der Zündung ausbildenden Flammenkern besonders gering.
2 zeigt einen Schnitt A-A durch den vorderen Teil der Anordnung nach 1 in der Ebene der Achsen (11) der Überströmkanäle (4), wobei im vorliegenden Fall vier Überströmkanälen gleichmäßig am Umfang des vorderen Teils der im Wesentlichen zylindrischen Vorkammer dargestellt sind, wobei sich der Schnittpunkt der Stahlachsen der Gasströme in die Vorkammer im Wesentlichen in dem achsnahen Raumpunkt (12) und damit im Bereich der Zündstelle (10) befinden. Je nach Formen des Hauptbrennraums sowie der verbrennungstechnischen Anforderungen usw. können auch mehr oder weniger Überströmkanäle als die gezeigten vier verwendet werden. Insbesondere können auch zusätzliche Bohrungen in anderen Querebenen des vorderen Teils der Vorkammer von Vorteil sein.
3 zeigt eine Vorkammerzündkerze mit einer vorderen Vorkammer (2a) und hinteren Vorkammer (2b), wobei in die vordere Vorkammer die Überströmkanäle (4) einmünden. Dort ist auch die Zündstelle (10) angeordnet. Zudem ist ein weiterer zentraler Überströmkanal (4a) dargestellt, mit dem einerseits dem zu zündenden Gasgemisch durch den in die vordere Vorkammer (2a) eintretenden Strahl eine axiale Strömungskomponente in Richtung auf die hintere Vorkammer (2b) aufprägt wird und durch den andererseits nach der Zündung und Umsetzung des Gemischs und Austritt eines Fackelstrahls, eine besonders schnelle und gleichmäßige Umsetzung des Hauptgemischs im Hauptbrennraum (5) bewirkt wird. Die axiale Strömungskomponente in Richtung auf die hintere Vorkammer (2b) führt zu einer besonders vollständigen Ausnutzung der an der Zündstelle (10) zugeführten Laserenergie bei der Zündung, da die Energie des Lasers als Folge der sich in spitzem Winkel schneidenden Strahlen des Lasers über einen in Achsrichtung gestreckten Bereich an des Gemisch in der Vorkammer übertragen wird.
Die zentral angeordneter Laserzündeinrichtung (6) mit seinem optischem Fenster (7) befindet sich am hinteren Boden (8) der hinteren Vorkammer (2b), wobei beide Vorkammern (2a, 2b) durch einen Zwischenboden (13) mit mindestens einer zentralen Überströmbohrung (14) voneinander getrennt sind. Die Laserstrahlen (9) gelangen durch die Überströmbohrung zur Zündstelle (10). Nach einer Zündung des Gemischs in der vorderen Vorkammer (2a) kommt es nicht nur über die Überströmkanäle (4) bzw. (4a) zur Ausbildung von Fackelstrahlen und damit zur Zündung des Hauptgemischs im Hauptbrennrau (5), sondern auch zur Ausbildung eines Fackelstrahls in Richtung auf das optische Fenster (7), dessen Geschwindigkeit bzw.
Intensität aber durch eine vergleichsweise große Überströmbohrung (14) aber gering ist. Insbesondere im Zusammenwirken mit mindestens eine weiteren schräg und auf das optische Fenster (7) gerichtete weitere Überströmbohrung (15) im Zwischenboden (13) ergibt sich nach der Zündung und Beginn der Energieumsetzung in der vorderen Vorkammer (2a) eine Querkomponente der Strömung auf der Oberfläche des Fensters und damit dessen laufende Selbstreinigung.

Claims

Verfahren zur Laserzündung eines zündfähigen Gemischs, insbesondere eines Kraftstoff-Luft-Gemischs, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündung eines zündfähigen Gemischs in einer Vorkammer (2) erfolgt, die über mindestens einen Überströmkanal (4) mit einem Hauptraum (5) mit ebenfalls zündfähigem Gemisch verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Verbrennungsmotor ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in einer Vorkammer (2) mit einem Laserverfahren gezündet wird, wobei die Vorkammer mit zündfähigem Gemisch über mindestens einen Überströmkanal (4) mit dem Hauptraum (5) mit ebenfalls zündfähigem Gemisch verbunden ist.
Verfahren Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kraftstoff-Luft-Gemisch an einem ausgewählten Raumpunkt der Vorkammer (2) gezündet wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor mit einem mit Luft oder Abgas verdünnten Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben wird, wobei das zu zündende Gemisch während des Kompressionstaktes vom Hauptbrennraum (5) über mindestens einen Überströmkanal (4) in die Vorkammer (2) gelangt und dort an einer Zündstelle (10) mit einem Laserverfahren gezündet wird.
Verfahren und Anordnung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer (2) im Wesentlichen eine zylindrische Form besitzt.
Verfahren und Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Laserzündstelle (10) im Wesentlichen in der Nähe der Achse (12) der Vorkammer (2) befindet.
Verfahren und Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Laserzündstelle (10) im Wesentlichen in einem vorderen Bereich der Vorkammer befindet.
Verfahren und Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Laserzündstelle (10) im Wesentlichen im Bereich des Schnittpunktes von mindestens zwei Achsen (11) von Überströmkanälen (4) befindet, die die Vorkammer (2) mit dem Hauptbrennraum (5) verbinden.
Verfahren und Anordnung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche 6–8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Stirnseite der Vorkammer und insbesondere im Wesentlichen in einem achsnahen Bereich der Vorkammer ein weiterer Überströmkanal (4a) angeordnet ist, dessen Achse im Wesentlichen auf den Schnittpunkt von mindestens einer Achse (11) eines Überströmkanals (4) gerichtet ist.
Verfahren und Anordnung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer (2) mit Hilfe eines Zwischenbodens (13) in eine vordere Vorkammer (2a) und eine hintere Vorkammer (2b) unterteilt ist.
Verfahren und Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Laserzündstelle (10) in der vorderen Vorkammer (2a) befindet.
Verfahren und Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenbodens (13) eine Überströmbohrung (14) enthält, über die der Laser (6) seine Zündenergie ungehindert zur Zündstelle (10) übertragen kann.
Verfahren und Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Überströmbohrung (14) im Wesentlichen in Richtung auf das optische Fenster (7), der Lasereinrichtung (6) gerichtet ist.
Verfahren und Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenboden (13) mindestens eine weitere, im Wesentlichen schräg und auf das optische Fenster (7) gerichtete weitere Überströmbohrung (15) besitzt, die eine Querkomponente der Gasströmung auf der Oberfläche des Fensters (7) erzeugt und damit dessen laufende Selbstreinigung bewirkt.