-
Die
Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Ottomotor
nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
-
Insbesondere
beim Betrieb mit extrem mageren Gemischverhältnissen oder
sehr hohen Abgasrückführungsraten ist bei fremd
gezündeten Motoren die Entflammung und die sehr frühe
Phase der Verbrennung kritisch und beeinflusst den gesamten nachfolgenden
Hochdruckanteil der Verbrennung. Die Frühphase der Entzündung
kann durch eine Vorkammer, welche über wenigstens eine Überströmöffnung
mit einer Brennkammer der Brennkraftmaschine verbunden ist, und
in welcher eine Vorkammerzündung durch eine Vorkammerzündkerze
erfolgt, verbessert werden. Im Gegensatz zur Vorkammereinspritzung
bei Dieselmotoren, die aus dem Stand der Technik seit langem bekannt
ist, wird bei der Vorkammerzündung bei fremd gezündeten
Motoren in der Regel kein Kraftstoff in die Vorkammer eingespritzt.
Eine erste Kraftstoffmischung erfolgt vielmehr durch Direkteinspritzung
in die Brennkammer, wobei während des Kompressionshubes
durch die Überströmöffnungen Kraftstoff-Luft-Gemisch
in die Vorkammer gelangt, wodurch in der Vorkammer ein besonders
homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch vorliegt. In der Vorkammer erfolgt
dann zum Ende des Kompressionshubes des Zylinders in der Hauptbrennkammer
eine erste Zündung, welche die Entflammung des Gemisches
verbessert. Durch die Vorkammerzündung treten Fackelstrahlen über
die Überströmöffnungen in die Brennkammer über
und erhöhen dort zusätzlich die Brennraumturbulenz,
was die Hauptzündung in der Brennkammer verbessert und zu
einem insgesamt verbesserten Abbrennverhalten des Kraftstoff-Luft-Gemisches
in der Brennkammer führt. Durch entsprechende Ausgestaltung
und Anordnung der Überströmöffnungen
können die Fackelstrahlen mehrere Flammenkerne in verschiedenen Orten
im Brennraum erzeugen, was die Hauptverbrennung beschleunigt.
-
Eine
derartige Vorkammerzündung, insbesondere für Gasmotoren,
ist in der
DE 37 09
976 A1 offenbart. Um die Vorkammerzündung zu verbessern wird
in dem offenbarten Verfahren zusätzlich ein fettes Kraftstoff-Luft-Zusatzgemisch
oder reiner Zusatzkraftstoff ventilgesteuert in die Zündkammer
eingebracht.
-
Vorrichtungen
und Verfahren zur Vorkammerzündung nach dem Stand der Technik
haben gemeinsam, dass zwar genügend Kraftstoff in der Vorkammer
vorrätig gehalten ist, die notwendige Sauerstoffkonzentration
in der Vorkammer jedoch nicht in allen Betriebszuständen
der Brennkraftmaschine gewährleistet ist. Erst die sichere
Verfügbarkeit von sowohl Kraftstoff als auch Sauerstoff
in der Vorkammer ermöglicht die gewünschte sichere
Entflammung und die damit verbundene effizientere Hauptverbrennung in
der Brennkammer.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine
der eingangs genannten Art dergestalt weiter zu entwickeln, dass
das Entflammungsverhalten des Gemisches in einer Vorkammer einer
Brennkammer der Brennkraftmaschine verbessert wird.
-
Diese
Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Ottomotor,
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
-
Unter
dem Begriff „Brennkraftmaschine” ist hierbei die
Gesamtheit aus Motor und Nebenaggregaten, wie beispielsweise Turboladern,
Ladeluftkühlern und dergleichen, zu verstehen. Eine solche Brennkraftmaschine
weist wenigstens eine Brennkammer auf, welche durch wenigstens eine Überströmöffnung
mit einer Vorkammer verbunden ist. In der Vorkammer ist zudem eine
Zündvorrichtung zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches
angeordnet.
-
Erfindungsgemäß ist
weiterhin ein Luftkanal zum Einleiten von Luft aus einem Ansaugtrakt
der Brennkraftmaschine in die Vorkammer vorgesehen. Der Zündprozess
in einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
entspricht somit der eingangs beschriebenen Vorkammerzündung.
Kraftstoff wird in die Brennkammer eingespritzt, vermischt sich
dort mit über ein Einlassventil zugeführter Ladeluft,
wobei das entstehende Gemisch während des Kompressionshubes
eines in der Brennkammer beweglich gelagerten Zylinders über
die Überströmöffnungen in die Vorkammer
gefördert wird. Durch die hierbei entstehende zusätzliche
Turbulenz wird in der Vorkammer ein besonders gut vermischtes Kraftstoffluftgemisch vorgelegt.
Durch die Vorzündung dieses Gemisches entstehen Fackelstrahlen
durch die Überströmöffnung, die zum Entstehen
mehrerer Zündkerne in der Hauptbrennkammer führen,
so dass auch die Hauptzündung besonders günstig
und effizient verläuft.
-
Die
erfindungsgemäße Einleitung von Luft durch einen
Luftkanal aus einem Ansaugtrakt in die Vorkammer verbessert weiterhin
die Zündung im Vorkammerbereich, indem sichergestellt wird,
dass jederzeit die notwendige Sauerstoffkonzentration für eine
effiziente Vorzündung gewährleistet ist.
-
Um
die eingeleitete Luftmenge in die Vorkammer zu kontrollieren, sind
mehrere, alternativ oder auch zusammen einsetzbare Varianten möglich. Zunächst
kann in einem weiteren Aspekt der Erfindung der Luftkanal eine Drosseleinrichtung
umfassen. Dies ist konstruktiv besonders einfach zu realisieren
und damit auch kostengünstig, bedingt jedoch die Gefahr,
dass verbranntes Gas von der Vorkammer zurück in den Luftkanal
strömt. Im nächsten Zyklus der Brennkraftmaschine
würde die Vorkammer dann teilweise mit Restgas gespült
werden, was die Zündungseffizienz wieder senkt. Die Zumischung von
Frischluft ist bei Verwendung eines Drosselelementes auch nur in
sehr eingeschränktem Rahmen regel- oder steuerbar.
-
Um
ein derartiges Rückströmen von verbranntem Gas
in den Luftkanal zu vermeiden, kann im Luftkanal ein Rückschlagventil
vorhergesehen sein, welches eine Gasströmung lediglich
vom Ansaugtrakt zur Vorkammer hin, aber nicht in entgegen gesetzter
Richtung ermöglicht. Durch das Rückstellelement
des Rückschlagventils kann eine Druckdifferenz eingestellt
werden, ab welcher es zu einem Gasstrom in die Vorkammer kommt.
-
Eine
weitere, alternativ oder gemeinsam mit den genannten Möglichkeiten
einsetzbare Ausführungsform der Erfindung umfasst ein im
Luftkanal angeordnetes Magnetventil. Hierdurch ist ein besonders
effizientes Zudosieren von Luft in der Vorkammer möglich,
welches von einem üblichen Motorsteuerungsgerät
genau kontrolliert werden kann.
-
Neben
der geschilderten Luftspülung, also dem Einleiten zusätzlicher
Luft in die Vorkammer, kann die Vorkammer eine zusätzliche
Kraftstoffspülung aufweisen. In dieser Ausführungsform
der Erfindung umfasst die Vorkammer Mittel zum Einleiten von Kraftstoff
oder Kraftstoff-Luft-Gemisch. Das Gemisch der Vorkammer kann so
zusätzlich angefettet werden, um eine verbesserte Vorkammerverbrennung
zu erreichen. Dies kann insbesondere bei extremem Magerbetrieb der
Hauptkammerverbrennung sinnvoll sein.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
ist im Eintrittsbereich des Luftkanals in die Vorkammer ein Umlenkblech
zum Umlenken eines Luftstroms vorgesehen. Durch ein gezieltes Umlenken
des Luftstroms können zusätzliche Turbulenzen
in der Vorkammer erzeugt werden, was zu einer verbesserten Vermischung
der Spülluft mit dem bereits in der Vorkammer vorliegenden
Gemisch führt. Auch so wird die Verbrennungshomogenität und
Effizienz in der Vorkammer verbessert.
-
Zusätzlich
oder alternativ zur Anbringung eines Umlenkbleches kann eine Eintrittsöffnung
des Luftkanals in die Vorkammer so angeordnet sein, dass ein in
die Vorkammer eintretender Luftstrom radial bezüglich einer
Symmetrieachse der Vorkammer ausgerichtet ist. Insbesondere durch
eine gezielte Anströmung der Wände der Vorkammer
können Wirbel erzeugt werden, welche wiederum die Durchmischung
der Spülluft mit dem bereits vorliegenden Kraftstoff-Luft-Gemisch
verbessern.
-
Auch
für die Anbindung des Luftkanals an den Ansaugtrakt der
Brennkraftmaschine sind mehrere alternatives Optionen realisierbar.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist dabei der Luftkanal mit
dem Ansaugtrakt so verbunden, dass die Luft in Strömungsrichtung
der angesaugten Luft hinter einem Verdichter der Brennkraftmaschine
entnommen wird. Durch die Entnahme im Hochdruckbereich des Ansaugtraktes
wird sichergestellt, dass ein hinreichender Druck im Luftkanal vorliegt,
um dem bereits verdichteten Gemisch in der Vorkammer während des
Kompressionshubes des Zylinders in der Hauptbrennkammer entgegen
zu wirken. Dadurch wird also gewährleistet, dass jederzeit
genügend Spülluft in die Vorkammer eindringen
kann.
-
Alternativ
hierzu ist es möglich, den Luftkanal mit dem Ansaugtrakt
in Strömungsrichtung der angesaugten Luft hinter einem
Ladeluftkühler der Brennkraftmaschine zu verbinden. Dadurch
wird die Dichte der gekühlten in die Vorkammer eingeleiteten
Luft erhöht, so dass mehr Sauerstoff in die Vorkammer gelangen
kann, was wiederum die Zündzuverlässigkeit vergrößert.
-
Eine
weitere Alternative der Anbindung des Luftkanals besteht in einer
Verbindung des Luftkanals hinter einer Abgasrückführungseinrichtung
des Ansaugtraktes. Es wird also ein Gemisch von Luft und rückgeführtem
Abgas in die Vorkammer eingeleitet. Dies kann gegebenenfalls wünschenswert
sein, um eine weitere Feineinstellung des Sauerstoffgehalts in der
Vorkammer zu ermöglichen. Von den drei genannten Alternativen
ist die Einleitung von Luft nach dem Ladeluftkühler besonders
bevorzugt. Diese Variante erzielt den höchsten Sauerstoffgehalt
in der Brennkammer.
-
Die
Erfindung betrifft schließlich noch einen Kraftwagen mit
einer Brennkraftmaschine mit den bereits genannten Merkmalen.
-
Im
Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen
anhand der Zeichnungen näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung einer Vorkammer für einen Brennraum
einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Brennkraftmaschine, und
-
2 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Brennkraftmaschine zur Darstellung verschiedener Entnahmepunkte
von in die Vorkammer einzuleitender Luft
-
Die
im Ganzen mit 10 bezeichnete Vorkammer für eine
Hauptbrennkammer einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
umfasst einen Vorkammerraum 12, welcher durch eine Vorkammerwandung 14 umschlossen
ist. Durch Überströmöffnungen 16 steht
die Vorkammer 10 mit der eigentlichen Brennkammer der Brennkraftmaschine 30 in
Verbindung. Im Vorkammerraum 12 ist eine Vorkammerzündkerze 18 angeordnet.
Diese kann verschiedener bekannter Ausführungsformen von
Vorkammerzündkerzen entsprechen, es muss sich also nicht
um die hier dargestellte Hakenkerze handeln. Eine Kraftstoffeinspritzung
erfolgt zunächst in der Hauptbrennkammer der Brennkraftmaschine.
Während eines Kompressionshubes vermischt sich der Kraftstoff
mit Luft in der Hauptbrennkammer und strömt über
die Überströmöffnungen 16 in
den Vorbrennkammerraum 12. Zum Zündzeitpunkt wird über
die Vorkammerzündkerze 18 ein Zündfunken 20 erzeugt,
welcher das sehr homogen durchmischte Kraftstoff-Luft-Gemisch im
Vorkammerraum 12 entzündet. Über die Überströmöffnungen 16 schlagen
Fackelstrahlen in die Hauptbrennkammer der Brennkraftmaschine 30 und sorgen
dort für das Entstehen mehrerer Zündkeime. Die
Verbrennung in der Hauptbrennkammer wird dadurch homogener, der
Druckanstieg in der Hochdruckphase der Verbrennung ist steiler und
der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 30 allgemein gesteigert.
Um die Zündung in der Vorkammer 10 zu verbessern
kann über eine Luftzuführungsleitung 22 zusätzliche
Luft in Richtung des Pfeils 24 aus dem Ansaugtrakt der
Brennkraftmaschine 30 in die Vorkammer 10 eingeleitet
werden. Damit wird sichergestellt, dass immer genügend
Sauerstoff zur Verbrennung in der Vorkammer 10 zur Verfügung
steht. Um, beispielsweise bei einem extremen Magerbetrieb der Brennkraftmaschine 30,
das Gemisch in der Vorkammer 10 anzufetten, steht eine
weitere Zuführungsleitung 26 zur Verfügung, über
die in Richtung des Pfeils 28 weiterer Kraftstoff oder
auch Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Vorkammerraum 12 geleitet
werden kann. So wird auch bei extremem Magerbetrieb eine hohe Zündzuverlässigkeit
gewährleistet.
-
Zur
Regelung des Luftstromes durch den Luftkanal 22 kann in
diesem eine Drosseleinrichtung und/oder ein Rückschlagventil
und/oder ein Magnetventil vorgesehen sein.
-
Um
Luft für den Luftkanal 22 bereitzustellen, ist
dieser mit dem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine 30 verbunden. 2 zeigt
die Luft- und Abgasströme einer solchen Brennkraftmaschine 30,
um verschiedene Entnahmepunkte für die durch den Luftkanal 22 der
Vorkammer 10 zu zuleitenden Luft zu veranschaulichen.
-
Die
Brennkraftmaschine 30, welche im gezeigten Beispiel als
Reihen-Sechszylindermotor ausgeführt ist, saugt über
eine Ansaugleitung 32 Luft an. Diese gelangt auf die Verdichterseite 34 eines
Abgasturboladers 36. Die verdichtete Luft wird weiter zu einem
Ladeluftkühler 38 geleitet, wo sie abgekühlt wird,
um so ihre Dichte zu erhöhen. Nach dem Ladeluftkühler
ist eine Zuführungsposition 40 für über
ein Abgasrückführungssystem 42 rückzuführendes
Abgas vorgesehen. An dieser Stelle vermischt sich also das zurückgeführte
Abgas mit der abgekühlten Ladeluft, und wird schließlich über
den Ansaugkrümmer 44 der Brennkraftmaschine 30 zugeführt.
-
Verbranntes
Abgas wird über den Abgaskrümmer 46 abgeleitet
und teilweise über ein Abgasrückführungsventil 48 und
einen Abgasrückführungskühler 50 zur
Zuführungsposition 40 geleitet und dort mit der
abgekühlten Ladeluft vereinigt. Ein weiterer Teil des Abgases
strömt aus dem Abgaskrümmer 46 auf die
Turbinenseite 52 des Abgasturboladers 36, so dass
die Turbine des Abgasturboladers 36 den Verdichter 34 des
Abgasturboladers 36 treibt. Nach Durchtritt durch die Turbinenseite 52 des
Abgasturboladers 36 erfährt das Abgas schließlich
noch eine Abgasnachbehandlung, beispielsweise durch einen Abgaskatalysator 54 oder
auch weitere Elemente, bevor es schließlich über
einen Auspuff 56 an die Umwelt abgegeben wird.
-
Der
Pfeil 58 zeigt eine erste Entnahmeposition für
der Vorkammer 10 zu zuführende Luft an. Diese
Position befindet sich dabei hinter der Verdichterseite 34 des
Abgasturboladers 36. Das der Vorkammer 10 zugeführte
Gas steht also bereits unter hohem Druck, so dass es problemlos
in die ebenfalls im Zuge des Kompressionshubes des Kolbens mit einem
Druck beaufschlagte Vorkammer 10 einströmen kann.
-
Nachteilig
ist hierbei jedoch, dass die Luft an der Position 58 noch
eine hohe Temperatur und damit geringe Dichte aufweist. Der Pfeil 60 zeigt
daher eine alternative Entnahmeposition direkt nach dem Ladeluftkühler 38 an.
Die Ladeluft ist an dieser Position ebenfalls noch verdichtet, wird
durch den Ladeluftkühler 38 jedoch abgekühlt,
so dass ein hoher Druck der Ladeluft mit einer geringen Temperatur
verknüpft wird. Durch Entnahme an der Position 60 kann
der Vorkammer 10 somit eine höhere Masse an Luft
und damit auch eine höhere Masse an Sauerstoff zugeführt
werden, was die Zündqualität in der Vorkammer 10 weiter
verbessert.
-
Eine
weitere alternative Entnahmeposition für der Vorkammer 10 zu
zuführende Luft ist durch den Pfeil 62 angezeigt.
Diese Entnahmeposition befindet sich hinter der Vereinigung von
Ladeluft mit durch den Abgasrückführungskühler 50 abgekühlten rückgeführten
Abgas. Dadurch sinkt zwar der Sauerstoffgehalt der zugeführten
Luft, es ist jedoch gegebenenfalls eine weitere Steigerung der Verbrennungseffizienz
in der Vorkammer 10 durch Entnahme an der Position 62 möglich.
-
Neben
der beschriebenen Anwendung der Brennkraftmaschine für
Kraftwagen ist auch eine stationäre Anwendung der Brennkraftmaschine
bzw. Stationärapplikation, bspw. zur Stromerzeugung oder dergleichen,
denkbar.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-