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Auf dem Energiesektor geht in zahlreichen Ländern die politische, ökonomische und ökologische Entwicklung in Richtung einer Energiewende. Das bedeutet, dass technische Lösungen für motorische Antriebe, die nicht mit fossilen Kraftstoffen betrieben werden, oder zumindest sparsamer mit diesen umgehen, an Bedeutung zunehmen. Verbrennungsmotoren die heute serienmäßig auf den Markt kommen oder sich bereits auf dem Markt befinden, sind allerdings fast ausschließlich noch konventionell konstruiert und nur für den Betrieb mit herkömmlichen Kraftstoffen ausgelegt. Doch lassen sich solche, mit flüssigen Kraftstoffen betriebene Motoren mit einigem Aufwand so umrüsten, so dass sie auch mit Erdgas, Biogas oder anderen Gasen betrieben werden können. Sowohl Otto- als auch Dieselmotoren sind für entsprechende Umrüstungen geeignet.
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Insbesondere Dieselmotoren erfordern jedoch beträchtliche Änderungen an wichtigen Bauteilen, sollen sie für den Betrieb auf Gas umgestellt werden. Da Dieselmotoren, insbesondere Vorkammer- oder Wirbelkammer-Motoren in der Regel höhere Verdichtungen – und damit kleinere Brennraumvolumina – aufweisen als Ottomotoren, ist die für den Gasbetrieb erforderliche Vergrößerung und Anpassung des Brennraumes in den meisten Fällen nicht ohne weiteres, bzw. nur mit erheblichen Veränderungen möglich, z. B. durch neukonstruierte kürzere Kolben, eine Verlängerung des Kurbelgehäuses oder Verkürzung des Pleuels, oder auch durch größere Kavitäten im Zylinderkopf. Dies alles ist mit großen Eingriffen in die originale Technik des jeweiligen Motors und teuren Nachrüstteilen verbunden.
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Die vorliegende Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, insbesondere Dieselmotoren auf den Betrieb mit Gas umzustellen. Dabei war es das Ziel, den Brennraum solcher Motoren so zu gestalten, dass er für den Gasbetrieb gut geeignet ist, ohne dass gleichzeitig viele originale Teile gegen neue ausgetauscht werden müssen. Die Umrüstung von Dieselmotoren auf Gas soll dadurch ähnlich einfach werden, wie bei Ottomotoren, denn moderne und effektive Ottomotoren haben einen kompakten Brennraum mit Quetschkanten und zentral angeordneter Zündkerze. Die Quetschkanten sorgen für hohe Strömungsgeschwindigkeiten im Brennraum und damit für eine schnelle Ausbreitung der Flammenfront. Durch die zentral angeordnete Zündkerze ergeben sich in alle Richtungen kurze und gleich lange Flammenwege, was für eine vollständige Verbrennung bis in die Randzonen, von Vorteil ist. Bei der Umrüstung von Dieselmotoren, insbesondere Wirbelkammermotoren, lassen sich jedoch diese idealen Bedingungen nicht nachbilden. Aus fertigungstechnischen Gründen muss die Zündkerze an Stelle der Einspritzdüse montiert werden. Bei Vor- und Wirbelkammermotoren mündet die Zündkerze dadurch am äußeren Rand des Zylinders in den Brennraum. Somit ergeben sich sehr lange und ungleichmäßige Flammenwege quer durch den Zylinder.
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Wirbelkammermotoren haben einen relativ ebenen Kolbenboden mit geringen Vertiefungen und mit weit oben liegenden Kolbenbolzen. Um das für Gasmotoren niedrigere Verdichtungsverhältnis zu erreichen, muss vom Kolben Material abgetragen werden. Würde man eine verbrennungstechnisch günstige, kompakte Brennraummulde mit seitlichen Quetschkanten realisieren, würde der Kolbenboden örtlich zu dünn. Es bleibt also nur die Möglichkeit den Kolben plan abzudrehen. Damit wird im Verhältnis zum abgetragenen Volumen die optimale Kolbenbodenstärke erhalten. Ein leicht kegeliger Kolbenboden ist auch machbar, wodurch man eine größere Bodendicke in der Kolbenmitte erzielt, aber auch den Nachteil eines noch niedrigeren Feuersteges in Kauf nehmen muss.
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Bei direkt einspritzenden Dieselmotoren ist meistens eine zentrale Kolbenmulde vorhanden. Um aber das niedrigere Verdichtungsverhältnis zu erreichen, muss ebenfalls der Kolbenboden abgedreht werden. Damit verliert man wiederum die Quetschkanten und auch die Brennraummulde verliert an relativer Tiefe. Mit der erforderlichen Kolbenbearbeitung entsteht ein mehr oder weniger scheibenförmiger flacher Brennraum, ohne Quetschkanten. Besonders in Verbindung mit einer am äußeren Rand liegenden Zündkerze, ergibt sich ein äußert ungünstiges Brennverhalten. Die von der Zündkerze ausgelöste Flammenfront hat einen weiten Weg vor sich und kühlt in dem flachen, engen Brennraum zu stark ab. Eine vollständige und gleichmäßige Verbrennung bis in die Randzonen ist nicht möglich. Der Wirkungsgrad ist niedrig, die HC-Emissionen sind hoch. Die Klopffestigkeit ist sehr gering. Besonders unter dem heißen Auslassventil kann es schon bei relativ niedrigen Leistungen zu Selbstentzündungen kommen.
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Hier setzt die Erfindung an, die sich das Ziel gesteckt hat, mit einem fertigungstechnisch günstig herstellbaren Umbau eine optimale Verbrennung zu erreichen. Dieses Ziel wird durch die im Folgenden beschriebenen Maßnahmen zur Optimierung des Gaszündstrahlbrennverfahrens erreicht: Die Zündkerze mündet nicht mehr direkt im Brennraum sondern in einer separaten Zündkammer, die anstelle einer nun nicht mehr benötigten Einspritzdüse und einer Vor- oder Wirbelkammer in den Zylinderkopf eingebracht wird. Die Zündkammer ist mit einer oder mehreren Bohrungen mit dem Brennraum verbunden. Beim Verdichten wird eine geringe Menge des Gas-Luftgemisches in die Zündkammer gedrückt. Nach dem Auslösen des Zündfunkens werden durch die Bohrungen Flammstrahlen mit hoher Geschwindigkeit in den flachen Brennraum geschossen. Durch diese weit in den Brennraum reichenden Flammstrahlen erreicht man eine schnelle und vollständige Verbrennung bei sehr hohem Wirkungsgrad. Turbulenzen, die üblicherweise durch Quetschkanten oder beengende Drallkanäle erzeugt werden müssen, sind damit nicht erforderlich. Durch die Größe der Zündkammer und dem Querschnitt der Bohrungen zwischen Zündkammer und Brennraum kann die Schussweite der Flammstrahlen exakt definiert werden. Als vorteilhaft hat sich erwiesen, einen der Strahlen unter das Auslassventil zu schießen. Damit erreicht man eine klopffreie Verbrennung, auch bei hoher Verdichtung und hohen Mitteldrücken. Versuche haben gezeigt, dass das Volumen in der Zündkammer sehr klein sein sollte und zwischen 0,5 bis 3% des gesamten Brennraumvolumens liegen sollte, d. h. bei einem Verdichtungsverhältnis von 1:10 etwa bei 0,05% bis 0,3% des Hubvolumens eines Zylinders.
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Die hier als Schusskanäle definierten Bohrungen der Zündkammer können unterschiedlich gestaltet sein. Die Zündkammer kann beispielsweise eine zentrale Bohrung oder mehrere Bohrungen aufweisen. Sie kann jedoch auch mit einem Schlitz versehen sein, oder aber einer Kombination aus Schlitz und Bohrungen.
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Bei der Umrüstung von 4-Ventil Dieselmotoren mit zentral angeordneter Einspritzdüse, können die Vorteile der erfindungsgemäßen Zündkammer ebenfalls genutzt werden. Die Schusskanäle weisen dann nicht vorrangig in eine Richtung sondern in alle Richtungen.
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Ein ähnliches Prinzip dieser Technik ist bei sog. Vorkammerzündkerzen bekannt. Bei diesen Zündkerzen ist eine Zündkammer an der Zündkerze angeschweißt. Die Schusskanäle sind jedoch symmetrisch angeordnet, weshalb die bei einer erfindungsgemäßen Umrüstung benötigte exakte Strahlausrichtung mit diesen Kerzen nicht möglich ist. Die Position der Flammstrahlen ist davon abhängig, in welcher Position die Zündkerze beim Einschrauben stehen bleibt.
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Bei großen Gasmotoren für Schiffsmotoren oder Kraftwerke werden auch Vorkammerbrennverfahren verwendet, die naturgemäß das Problem mit langen Flammenwegen haben und von vorneherein deshalb dort die Brennraumform optimal gestaltet wird. Im Unterschied dazu ist aber durch die Nachbearbeitung eines vorhandenen Diesel-Kolbens nur ein ungünstig geformter scheibenförmiger Brennraum erreichbar. Doch dafür bietet es sich bei Wirbelkammemotoren an, die Wirbelkammer durch einen Einsatz zu ersetzen, der das Zündkerzengewinde und die Zündkammer mit den Schusskanälen beinhaltet. Es kann aber auch eine Zündkammer direkt unter die Zündkerze an den Zylinderkopf geschraubt werden.
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Die hier beschriebene erfindungsgemäße Ausführung führt zu einer einfachen Umrüstung von Dieselmotoren zu Gasmotoren. Weitere Vorteile sind: Wenig oder gar keine Neuteile, stattdessen lediglich eine Modifizierung der Originalteile. Auch neue Kolben sind nicht erforderlich, sondern nur deren Nachbearbeitung mittels flachen oder leicht kegeligen Abdrehens. Die Zündungseinleitung kann durch gezielte Flammstrahlen unter das heiße Abgasventil gelegt werden, was zu hoher Klopffestigkeit führt. Anstelle einer Wirbel- oder Vorkammer wird ein kompaktes Bauteil mit Kerzengewinde, Zündkammer und Schusskanälen eingesetzt. Diese Maßnahmen ermöglichen ein Brennverfahren, das mit einem flachen, scheibenförmigen Brennraum ohne Quetschkanten und Drallkanälen auskommt und dennoch mit hoher Verdichtung und optimalem Wirkungsgrad arbeitet. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen können auch schwer entflammbare gasförmige Energieträger, oder Gase mit relativ geringem Energiegehalt genutzt werden, beispielsweise Biogas, Deponiegas, Holzgas und viele andere.
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Das Material der Zündkammer kann unabhängig vom Material des Zylinderkopfes gewählt werden und so besser an die Erfordernisse des Verbrennungsablaufes hinsichtlich Hitzebeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit abgestimmt sein und z. B. aus Aluminium, Stahl, Gusseisen oder Keramik bestehen.
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Bildbeschreibung:
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1 zeigt den Ausschnitt eines Querschnitts durch einen konventionellen Wirbelkammermotor im Bereich des Brennraumes. Der Kolben 1 läuft im Kurbelgehäuse 2 und befindet sich im oberen Totpunkt. Der Zylinderkopf 3 ist im Bereich der Wirbelkammer 4 geschnitten gezeigt, die durch einen eingeschrumpften hitzefesten Stahl-Einsatz 5 und durch einen Hohlraum im Zylinderkopf 1 gebildet wird. Oft mündet noch eine Bohrung 15 zur Aufnahme einer Glühkerze in die Wirbelkammer. In das Gewinde 6 wird ein Düsenhalter mit Zapfendüse eingeschraubt. Wirbelkammermotoren sind in der Regel hoch verdichtet, so dass das zwischen Kolbenoberseite und Zylinderkopfunterseite eingeschlossene Volumen des Brennraumes 7 relativ klein ist.
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2 zeigt eine Sicht des Kolbens 1 auf seine Brennraumseite. Er weist hier in der Regel verschiedene Taschen 8 für die Ventile auf, sowie weitere Vertiefungen 9 zur Führung des aus der Wirbelkammer herausschießenden Gases auf.
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3 zeigt den gleichen Motor-Ausschnitt wie 1, nun jedoch nach der Umrüstung auf Gasbetrieb. Der im Kurbelgehäuse 2 laufende Kolben 1 befindet sich wiederum im oberen Totpunkt, ist aber gekürzt, so dass das Kompressionsverhältnis verringert und das Volumen des Brennraumes 7 vergrößert ist. Das schafft auch Platz für den in Brennraum hineinragenden Teil der Zündkammer. Die Wirbelkammer wurde ersetzt durch eine Zündkammer 10. Diese ist außerhalb des eigentlichen Zündkammerbereiches bündig mit der Unterkante des Zylinderkopfes 3, ragt aber im Bereich der die Zündkammer mit dem Hauptbrennraum verbindenden Bohrungen 16 in den Brennraum 7 hinein. Die Zündkammer weist ein Gewinde 11 zur Aufnahme einer Zündkerze 12 auf. Im Bereich vor der Zündkerze 12 befindet sich der Zündraum 13, der durch eine oder mehrere Bohrungen 16 mit dem Brennraum 7 verbunden ist. Die Oberseite des Kolbens 1 ist durch das Kürzen glatt und ohne Vertiefungen, weshalb durch die geringere Oberfläche weniger Wärmeverluste entstehen, was bessere Effizienz bedeutet. Die Kürzung des Kolbens 1 ist allerdings beschränkt durch die erforderliche Mindestdicke des Kolbenbodens 14, was aber wegen des im Vergleich zum Dieselmotor geringeren Spitzendruckes dennoch eine ausreichende Kolbenkürzung erlaubt.
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4 zeigt einen Kolben 1, der auf seiner Oberseite nach der Kürzung leicht kegelig ausgeführt ist, so dass sich eine etwas größere Dicke des Kolbenbodens 14 ergibt.
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5 zeigt die Ansicht der Zündkammer 10 von der Brennraumseite gesehen mit Schnitt in der Ebene von drei Bohrungen 16, die als Schusskanäle die Verbindung zwischen Zündkammer und Hauptbrennraum herstellen.
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6 zeigt den zu 5 gehörenden Querschnitt der Zündkammer 10 mit den Bohrungen 16.
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7 zeigt die Ansicht der Zündkammer 10 von der Brennraumseite gesehen mit Schnitt in der Ebene einer Bohrungen, die mit einem Schlitz 17 versehen ist um die aus der Brennkammer in den Hauptbrennraum schießende Flamme aufzufächern.
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8 zeigt den zu 7 gehörenden Querschnitt der Zündkammer 10 mit geschlitzter Bohrung 17.
