DE102015203493A1

DE102015203493A1 - Prechamber for an internal combustion engine and internal combustion engine

Info

Publication number: DE102015203493A1
Application number: DE102015203493.3A
Authority: DE
Inventors: Jan Gerrit Prunnbauer; Philipp Klaas
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2015-02-26
Filing date: 2015-02-26
Publication date: 2016-03-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorkammer (7) für eine Brennkraftmaschine (1). Dabei ist vorgesehen, dass die Vorkammer (7) wenigstens ein Katalysatormaterial (21) aufweist.The invention relates to an antechamber (7) for an internal combustion engine (1). It is provided that the pre-chamber (7) has at least one catalyst material (21).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorkammer für eine Brennkraftmaschine und eine Brennkraftmaschine. The invention relates to an antechamber for an internal combustion engine and an internal combustion engine.

Vorkammern dienen generell der sicheren Entflammung eines insbesondere mageren Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemischs in einer Hauptkammer eines Brennraums einer Brennkraftmaschine, wobei die Vorkammern als Zündverstärker eingesetzt werden. Dem liegt das Prinzip zugrunde, dass ein in einem kleineren Volumen vorliegendes, fetteres Gemisch sicher entzündet wird und dann – insbesondere in Form von aus der Vorkammer in die Hauptkammer übertretenden Zündfackeln – ein magereres Gemisch sicher entzünden kann. Das fettere Gemisch in der Vorkammer kann insbesondere erzeugt werden, indem dieser eine separate Brennstoffversorgung zugeordnet wird, wobei die Vorkammer als gespülte Vorkammer ausgebildet ist. Durch die Verbrennung eines vergleichsweise fetten Gemischs in der Vorkammer entstehen hier vergleichsweise hohe Verbrennungstemperaturen, was die Bildung von Schadstoffen, insbesondere von Stickoxiden, begünstigt. Um die Emissionen einer Brennkraftmaschine mit Vorkammer zu senken, ist es beispielsweise möglich, das Gemisch in der Hauptkammer weiter abzumagern, was jedoch zu einer geringeren Leistung der Brennkraftmaschine führt und andere Nachteile mit sich bringt. Es ist auch möglich, das in der Vorkammer vorliegende Gemisch mit Luft anzureichern und so abzumagern. Dies beeinträchtigt allerdings die Zündwirkung der Vorkammer und bedeutet darüber hinaus einen großen, insbesondere regelungstechnischen Aufwand. Prechambers are generally used to safely ignite a particularly lean combustion air-fuel mixture in a main chamber of a combustion chamber of an internal combustion engine, wherein the antechambers are used as a booster. This is based on the principle that a present in a smaller volume, fatter mixture is ignited safely and then - especially in the form of passing from the antechamber into the main chamber ignition torches - can safely ignite a leaner mixture. In particular, the greasy mixture in the pre-chamber can be produced by assigning it a separate fuel supply, wherein the pre-chamber is designed as a rinsed prechamber. The combustion of a comparatively rich mixture in the prechamber results in comparatively high combustion temperatures, which favors the formation of pollutants, in particular nitrogen oxides. In order to reduce the emissions of an internal combustion engine with pre-chamber, for example, it is possible to further lean the mixture in the main chamber, but this leads to a lower performance of the internal combustion engine and brings other disadvantages. It is also possible to enrich the mixture present in the prechamber with air and thus to lose weight. However, this impairs the ignition of the antechamber and also means a large, in particular control engineering effort.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorkammer und eine Brennkraftmaschine zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten. The invention has for its object to provide a prechamber and an internal combustion engine, said disadvantages do not occur.

Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. The object is achieved by providing the subject matters of the independent claims. Advantageous embodiments emerge from the subclaims.

Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem eine Vorkammer für eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, die sich dadurch auszeichnet, dass sie wenigstens ein Katalysatormaterial aufweist. Dadurch ist es vorzugsweise möglich, in der Vorkammer entstehende Schadstoffe direkt am Ort ihrer Entstehung umzusetzen und somit die Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine insgesamt zu reduzieren. Ein insbesondere zusätzliches Abmagern eines Gemischs in der Hauptkammer und/oder eine Anreicherung des Gemischs in der Vorkammer mit Verbrennungsluft kann/können vermieden werden. The object is achieved in particular by providing an antechamber for an internal combustion engine, which is characterized in that it comprises at least one catalyst material. As a result, it is preferably possible to convert pollutants formed in the pre-chamber directly at the place of their formation and thus to reduce the pollutant emissions of the internal combustion engine as a whole. A particular additional leaning of a mixture in the main chamber and / or an enrichment of the mixture in the antechamber with combustion air can / can be avoided.

Besonders bevorzugt weist die Vorkammer wenigstens ein zur Katalyse einer Reduktion von Stickoxiden geeignetes Katalysatormaterial auf. Somit können insbesondere die durch die sehr heiße Verbrennung in der Vorkammer entstehenden Stickoxide noch direkt in der Vorkammer zumindest teilweise reduziert werden, wodurch sehr wirkungsvoll die Gesamtemissionen der Brennkraftmaschine gesenkt werden können. Es ist möglich, den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine anzuheben, indem das Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch in der Hauptkammer angefettet wird, wobei hierdurch insbesondere die Verbrennung vollständiger verläuft, was sich günstig auf den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine auswirkt. Da nämlich die Stickoxidemissionen in der Vorkammer sehr wirkungsvoll abgesenkt werden, entstehen Freiheiten in Hinblick auf die Stickoxidemissionen in der Hauptkammer. Da typischerweise das Verhältnis von in der Vorkammer gebildeten Stickoxiden zu in der Hauptkammer gebildeten Stickoxiden etwa 2:1 beträgt, bleibt bei einer effizienten Reduktion der Stickoxidemissionen der Vorkammer ausreichend Spielraum für eine Anfettung des Gemischs in der Hauptkammer, wobei die Gesamtemissionen sogar reduziert oder aber zumindest konstant gehalten werden können. Wird darüber hinaus ein Großteil der Stickoxidemissionen direkt in der Vorkammer beseitigt, indem die dort gebildeten Stickoxide durch das Katalysatormaterial reduziert werden, können in einem Abgasstrang der Brennkraftmaschine deutlich verkleinerte Katalysatoren für die Abgasnachbehandlung zum Einsatz kommen. Gegebenenfalls ist es sogar möglich, Elemente einer herkömmlichen Abgasnachbehandlung – insbesondere SCR-Katalysatoren zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden – ganz wegfallen zu lassen. Jedenfalls entstehen erhebliche Kostenvorteile durch eine Verkleinerung des zur Abgasnachbehandlung im Abgasstrang der Brennkraftmaschine nötigen Abgasnachbehandlungssystems. Weiterhin entstehen Bauraumvorteile, was insbesondere bei Marine-Anwendungen große Vorteile hat, da hier besonders wenig Bauraum zur Verfügung steht. Außerdem verringert sich ein Abgasgegendruck aufgrund von kleineren oder ganz wegfallenden Abgasnachbehandlungselementen. Dies führt direkt zu einer Erhöhung des Mitteldrucks und somit zu einer Wirkungsgradsteigerung. Particularly preferably, the prechamber has at least one catalyst material suitable for catalyzing a reduction of nitrogen oxides. Thus, in particular, the resulting from the very hot combustion in the pre-chamber nitrogen oxides can be at least partially reduced directly in the antechamber, which can be very effectively reduced the overall emissions of the internal combustion engine. It is possible to increase the efficiency of the internal combustion engine by the combustion air-fuel mixture is enriched in the main chamber, whereby in particular the combustion is more complete, which has a favorable effect on the efficiency of the internal combustion engine. Since the nitrogen oxide emissions are lowered very effectively in the antechamber, liberties arise with regard to the nitrogen oxide emissions in the main chamber. Since typically the ratio of nitrogen oxides formed in the prechamber to nitrogen oxides formed in the main chamber is about 2: 1, with an efficient reduction of the nitrogen oxide emissions of the prechamber, there is sufficient room for enrichment of the mixture in the main chamber, the total emissions even being reduced or at least reduced can be kept constant. Moreover, if a large part of the nitrogen oxide emissions are eliminated directly in the pre-chamber by the nitrogen oxides formed there are reduced by the catalyst material, significantly smaller catalysts for the exhaust aftertreatment can be used in an exhaust line of the internal combustion engine. If necessary, it is even possible to omit elements of a conventional exhaust aftertreatment - in particular SCR catalysts for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides - completely omitted. In any case, considerable cost advantages result from a reduction of the exhaust aftertreatment system required for the exhaust aftertreatment in the exhaust system of the internal combustion engine. Furthermore, space advantages arise, which has great advantages, in particular in marine applications, since very little installation space is available here. In addition, exhaust backpressure is reduced due to smaller or no exhaust after-treatment elements. This leads directly to an increase in the mean pressure and thus to an increase in efficiency.

Es wird ein Ausführungsbeispiel der Vorkammer bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass in der Vorkammer wenigstens ein mit dem wenigstens einen Katalysatormaterial beschichtetes Substrat angeordnet ist. Auf diese Weise kann das Katalysatormaterial sehr einfach und kostengünstig in der Vorkammer angeordnet werden. An exemplary embodiment of the prechamber is preferred, which is characterized in that at least one substrate coated with the at least one catalyst material is arranged in the prechamber. In this way, the catalyst material can be arranged very easily and inexpensively in the prechamber.

Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Vorkammer bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass diese eine Wandung aufweist, die durch wenigstens eine Bohrung durchsetzt ist. Die Wandung trennt insbesondere die Vorkammer bei bestimmungsgemäßer Montage an einer Brennkraftmaschine von einer Hauptkammer eines Brennraums, wobei die wenigstens eine Bohrung dazu dient, eine Fluidverbindung zwischen der Vorkammer und der Hauptkammer bereitzustellen, insbesondere um bei der Vorkammerverbrennung entstehende Zündfackeln in den Hauptbrennraum einzuschießen. Die wenigstens eine Bohrung ist demnach insbesondere als Schusskanal ausgebildet. Das wenigstens eine Katalysatormaterial ist dabei bevorzugt in der wenigstens einen Bohrung angeordnet. Dies stellt eine geometrisch einfache sowie besonders effiziente Anordnung des Katalysatormaterials dar, wobei in jedem Fall sichergestellt ist, dass das in der Vorkammer reagierende Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch und damit auch die entstehenden Produkte in Kontakt mit dem Katalysatormaterial gelangen, nämlich bei dem Übertritt von der Vorkammer in die Hauptkammer, und/oder während einer Verweilzeit in der Vorkammer zwischen einem Ansaugtakt und einem Arbeitstakt. It is also an embodiment of the pre-chamber is preferred, which is characterized in that it has a wall which through at least one hole is interspersed. The wall separates in particular the antechamber when properly mounted on an internal combustion engine of a main chamber of a combustion chamber, wherein the at least one bore serves to provide a fluid connection between the pre-chamber and the main chamber, in particular to shoot in the Vorkammerverbrennung ignition flares in the main combustion chamber. The at least one bore is therefore designed in particular as a firing channel. The at least one catalyst material is preferably arranged in the at least one bore. This represents a geometrically simple and particularly efficient arrangement of the catalyst material, wherein in each case it is ensured that the reaction in the antechamber combustion air-fuel mixture and thus the resulting products in contact with the catalyst material, namely in the transfer of the Pre-chamber in the main chamber, and / or during a residence time in the prechamber between an intake stroke and a power stroke.

Vorzugsweise weist die Wandung eine Mehrzahl von Bohrungen oder Schusskanälen auf. Besonders bevorzugt ist in jeder der Bohrungen Katalysatormaterial angeordnet. Preferably, the wall has a plurality of holes or shot channels. Particularly preferably, catalyst material is arranged in each of the bores.

Vorzugsweise ist das in der wenigstens einen Bohrung angeordnete Katalysatormaterial auf einem Substrat angeordnet. Insbesondere ist vorzugsweise vorgesehen, dass ein mit dem Katalysatormaterial beschichtetes Substrat in der wenigstens einen Bohrung angeordnet ist. Dabei ist das Substrat insbesondere porös ausgebildet und/oder mit Kanälen durchsetzt, sodass ein Durchtritt von Zündfackeln aus der Vorkammer in die Hauptkammer möglich ist. Außerdem ergibt sich bei der Beschichtung eines porösen und/oder mit Kanälen durchsetzten Substrats mit dem Katalysatormaterial eine besonders hohe, katalytisch wirksame Oberfläche, was insbesondere in Hinblick auf eine möglichst vollständige Umsetzung der Schadstoffe an dem Katalysatormaterial vorteilhaft ist. Dies gilt ganz besonders in Zusammenhang mit der vergleichsweise geringen axialen Strecke, über welche die überströmenden Schadstoffe in der wenigstens einen Bohrung mit dem Katalysatormaterial in Kontakt sind. Preferably, the catalyst material arranged in the at least one bore is arranged on a substrate. In particular, it is preferably provided that a substrate coated with the catalyst material is arranged in the at least one bore. In this case, the substrate is particularly porous and / or interspersed with channels, so that a passage of Zündfackeln from the antechamber into the main chamber is possible. In addition, the coating of a porous and / or interspersed with channels substrate with the catalyst material results in a particularly high, catalytically active surface, which is particularly advantageous in terms of as complete as possible implementation of the pollutants on the catalyst material. This is especially true in connection with the relatively small axial distance over which the overflowing pollutants in the at least one bore with the catalyst material in contact.

Alternativ oder zusätzlich wird ein Ausführungsbeispiel der Vorkammer bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass wenigstens eine innere Wandfläche der Vorkammer zumindest bereichsweise, vorzugsweise vollständig mit dem wenigstens einen Katalysatormaterial beschichtet ist. Dabei ist es möglich, dass die Wandfläche als Innenfläche der Wandung der Vorkammer ausgebildet ist, welche die wenigstens eine Bohrung aufweist. Auf diese Weise kann zum einen eine relativ große, mit dem Katalysatormaterial beschichtete Fläche bereitgestellt werden, zum anderen greift die Anordnung des Katalysatormaterials in der Vorkammer nicht in einen Strömungsverlauf der Verbrennungsluft, in der Vorkammer angeordneter Restgase, des Brennstoffs und/oder des Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemischs ein. Die gegebenenfalls auf solche Strömungsverhältnisse optimierte Geometrie der Vorkammer wird also durch die Anordnung des Katalysatormaterials in keiner Weise beeinträchtigt. Alternatively or additionally, an embodiment of the pre-chamber is preferred, which is characterized in that at least one inner wall surface of the prechamber is at least partially, preferably completely coated with the at least one catalyst material. It is possible that the wall surface is formed as an inner surface of the wall of the pre-chamber, which has the at least one bore. In this way, on the one hand, a relatively large surface coated with the catalyst material can be provided; on the other hand, the arrangement of the catalyst material in the prechamber does not intersect a flow path of the combustion air, residual gases arranged in the prechamber, the fuel and / or the combustion air fuel A mixture. The optionally optimized for such flow conditions geometry of the pre-chamber is thus affected by the arrangement of the catalyst material in any way.

Es ist demnach gemäß einer Ausgestaltung der Vorkammer möglich, dass das Katalysatormaterial in Form einer Beschichtung auf einem Substrat in einem Innenraum der Vorkammer angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass ein solches beschichtetes Substrat in der wenigstens einen, die Wandung der Vorkammer durchsetzenden Bohrung, insbesondere in einem Schusskanal, angeordnet ist. Weiter ist es alternativ oder zusätzlich möglich, dass eine innere Wandfläche der Vorkammer, insbesondere eine Innenfläche der Wandung, welche die wenigstens eine Bohrung aufweist, mit dem wenigstens einen Katalysatormaterial beschichtet ist. It is therefore possible according to an embodiment of the prechamber that the catalyst material is arranged in the form of a coating on a substrate in an interior of the prechamber. Alternatively or additionally, it is possible for such a coated substrate to be arranged in the at least one bore passing through the wall of the prechamber, in particular in a firing channel. Furthermore, it is alternatively or additionally possible for an inner wall surface of the pre-chamber, in particular an inner surface of the wall, which has the at least one bore, to be coated with the at least one catalyst material.

Es wird ein Ausführungsbeispiel der Vorkammer bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass diese mit einer Brennstoffversorgung verbindbar ist. Dies bedeutet insbesondere, dass der Vorkammer bei bestimmungsgemäßem Einbau an einer Brennkraftmaschine eine separate Brennstoffversorgung zugeordnet werden kann, sodass Brennstoff unmittelbar – ohne Umweg über die Hauptkammer – in die Vorkammer geführt werden kann. Die Vorkammer ist also bevorzugt eingerichtet, um als gespülte Vorkammer in einer Brennkraftmaschine verwendet zu werden. Insbesondere ist die Vorkammer als gespülte Vorkammer ausgebildet. Dabei handelt es sich bei der Brennstoffversorgung für die Vorkammer insbesondere um eine separate Brennstoffversorgung, die von einer Brennstoffversorgung für die Hauptkammer getrennt ist. An embodiment of the prechamber is preferred, which is characterized in that it is connectable to a fuel supply. This means, in particular, that the prechamber can be assigned a separate fuel supply when installed as intended on an internal combustion engine, so that fuel can be fed directly into the antechamber without detouring via the main chamber. The pre-chamber is thus preferably set up to be used as a purged prechamber in an internal combustion engine. In particular, the antechamber is designed as a rinsed prechamber. In particular, the fuel supply for the prechamber is a separate fuel supply that is separate from a fuel supply for the main chamber.

Bei einer solchen Ausgestaltung verwirklichen sich in besonderer Weise die Vorteile der Vorkammer, weil durch die Spülung derselben mit Brennstoff ein besonders fettes Gemisch in der Vorkammer erzeugt wird, wobei sehr heiße Verbrennungstemperaturen und damit hohe Stickoxid-Konzentrationen in der Vorkammer erreicht werden. In such a configuration, the advantages of the antechamber are realized in a special way, because by flushing the same with fuel, a particularly rich mixture is produced in the prechamber, with very hot combustion temperatures and thus high nitrogen oxide concentrations in the prechamber being achieved.

Eine solche Vorkammer ist insbesondere eingerichtet zur Verwendung in einem Großgasmotor, der – bezüglich des Gemischs in der Hauptkammer – stark mager betrieben wird. Durch die sehr effiziente Anfettung des Gemischs in der Vorkammer kann gleichwohl eine sichere Entflammung und ein sicherer Durchbrand des stark abgemagerten Gemischs in der Hauptkammer gewährleistet werden. Die Vorkammer kann aber auch bei einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden, die mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluft-Brennstoff-Verhältnis, also bei einem Lambda-Wert von 1, betrieben wird. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine eine Abgasrückführstrecke aufweist. Such an antechamber is in particular adapted for use in a large gas engine, which - is operated very lean - with respect to the mixture in the main chamber. Nevertheless, due to the very efficient enrichment of the mixture in the prechamber, a safe ignition and a sure burn through of the strongly leaned mixture in the main chamber can be guaranteed. The pre-chamber can also be used in an internal combustion engine, with a stoichiometric combustion air-fuel ratio, ie at a lambda value of 1, is operated. It is possible that the internal combustion engine has an exhaust gas recirculation path.

Vorzugsweise ist das wenigstens eine Katalysatormaterial ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Rhodium, Platin, Palladium, Cer, Lanthan, Aluminiumoxid und Zirconiumoxid. Auch eine beliebige Kombination dieser Materialien ist möglich. Insbesondere ist es möglich, dass das Katalysatormaterial als Beschichtung oder Washcoat eines typischen 3-Wege-Katalysators ausgebildet ist. Dieses ist einfach und kostengünstig erhältlich, sodass ein sowohl günstiger als auch sehr effizienter Katalysator ohne weiteres zur Verfügung steht. Preferably, the at least one catalyst material is selected from a group consisting of rhodium, platinum, palladium, cerium, lanthanum, alumina and zirconia. Any combination of these materials is possible. In particular, it is possible that the catalyst material is formed as a coating or washcoat of a typical 3-way catalyst. This is easily and inexpensively available, so that a cheaper as well as very efficient catalyst is readily available.

Das Substrat weist vorzugsweise ein Material auf oder besteht aus einem Material, welches keramisch oder metallisch ist. Als keramisches Material kommen insbesondere Magnesium-Aluminium-Silikate, vorzugsweise Cordierit, infrage. Als metallisches Material kommen insbesondere Legierungen jeglicher Art infrage. Solche Materialien sind in der Katalysatorherstellung üblich und daher einfach und kostengünstig erhältlich, um die Vorkammer in ökonomischer Weise auszugestalten. The substrate preferably comprises a material or is made of a material which is ceramic or metallic. As a ceramic material in particular magnesium-aluminum silicates, preferably cordierite, in question. As a metallic material in particular alloys of any kind in question. Such materials are common in catalyst production and therefore are readily and inexpensively available to economically design the prechamber.

Vorzugsweise werden die Materialien für das Katalysatormaterial und/oder das Substrat so ausgewählt, dass sie ohne weiteres den hohen Temperaturen in der Vorkammer standhalten können. Dabei kann insbesondere auf Materialkombinationen zurückgegriffen werden, die auch bei der Herstellung von 3-Wege-Katalysatoren für Ottomotoren verwendet werden, da diese eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweisen. Preferably, the materials for the catalyst material and / or the substrate are selected so that they can readily withstand the high temperatures in the prechamber. In this case, recourse can be made in particular to combinations of materials which are also used in the production of 3-way catalysts for gasoline engines, since these have a high temperature resistance.

Die Vorkammer ist vorzugsweise eingerichtet zur Anordnung in einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine, oder ausgebildet als Teil eines Zylinderkopfs einer Brennkraftmaschine. Dabei ist es möglich, dass in der Vorkammer eine von dieser separate Zündeinrichtung, insbesondere eine Zündkerze, anordenbar ist. The pre-chamber is preferably arranged for arrangement in a cylinder head of an internal combustion engine, or designed as part of a cylinder head of an internal combustion engine. It is possible that in the antechamber of this separate ignition device, in particular a spark plug, can be arranged.

Alternativ ist es möglich, dass die Vorkammer integral mit einer Zündeinrichtung ausgebildet ist, wobei die Vorkammer insbesondere selbst Teil der Zündeinrichtung ist. Dabei ist die Vorkammer bevorzugt gebildet, indem ihre Wandung an einer Zündkerze befestigt ist. Alternatively, it is possible for the pre-chamber to be formed integrally with an ignition device, wherein the pre-chamber is itself part of the ignition device. In this case, the pre-chamber is preferably formed by its wall is attached to a spark plug.

Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, welche wenigstens einen Brennraum aufweist, der in eine Hauptkammer und in eine Vorkammer unterteilt ist. Die Vorkammer ist dabei mit der Hauptkammer über wenigstens eine Bohrung, insbesondere einen sogenannten Schusskanal, in Fluidverbindung. Die Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass die Vorkammer wenigstens ein – insbesondere zur Katalyse einer Reduktion von Stickoxiden geeignetes – Katalysatormaterial aufweist. Besonders bevorzugt weist die Brennkraftmaschine als Vorkammer eines der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele auf. Dabei ergeben sich insbesondere die bereits in Zusammenhang mit der Vorkammer erläuterten Vorteile. Finally, the object is also achieved by providing an internal combustion engine which has at least one combustion chamber which is subdivided into a main chamber and into an antechamber. The prechamber is in fluid communication with the main chamber via at least one bore, in particular a so-called shot channel. The internal combustion engine is characterized in that the prechamber has at least one catalyst material, in particular suitable for catalyzing a reduction of nitrogen oxides. Particularly preferably, the internal combustion engine as a pre-chamber of one of the embodiments described above. This results in particular in the already explained in connection with the antechamber advantages.

Es wird ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich durch eine separate Brennstoffversorgung für die Vorkammer auszeichnet. Die Brennkraftmaschine weist also bevorzugt eine gespülte Vorkammer auf, in der sehr effizient ein Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisch angefettet werden kann. Dabei ist die Brennstoffversorgung für die Vorkammer separat von einer Brennstoffversorgung für die Hauptkammer ausgebildet. An embodiment of the internal combustion engine is preferred, which is characterized by a separate fuel supply for the prechamber. The internal combustion engine thus preferably has a purged pre-chamber in which a fuel-combustion-air mixture can be very efficiently enriched. In this case, the fuel supply for the prechamber is formed separately from a fuel supply for the main chamber.

Die Brennkraftmaschine weist vorzugsweise eine in einen Zylinderkopf integrierte oder als Teil des Zylinderkopfs ausgebildete Vorkammer, oder aber eine mit einer Zündeinrichtung integral ausgebildete Vorkammer auf. The internal combustion engine preferably has an antechamber integrated in a cylinder head or formed as part of the cylinder head, or else an antechamber formed integrally with an ignition device.

Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb, Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine Anwendung der Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, ist möglich. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Benzinmotor, als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet. The internal combustion engine is preferably designed as a reciprocating engine. In a preferred embodiment, the internal combustion engine is used to drive in particular heavy land or water vehicles, such as mine vehicles, trains, the internal combustion engine is used in a locomotive or a railcar, or ships. It is also possible to use the internal combustion engine to drive a defense vehicle, for example a tank. An exemplary embodiment of the internal combustion engine is preferably also stationary, for example, used for stationary power supply in emergency operation, continuous load operation or peak load operation, the internal combustion engine in this case preferably drives a generator. A stationary application of the internal combustion engine for driving auxiliary equipment, such as fire pumps on oil rigs, is possible. Furthermore, an application of the internal combustion engine in the field of promoting fossil raw materials and in particular fuels, for example oil and / or gas, possible. It is also possible to use the internal combustion engine in the industrial sector or in the field of construction, for example in a construction or construction machine, for example in a crane or an excavator. The internal combustion engine is preferably designed as a gasoline engine, as a gas engine for operation with natural gas, biogas, special gas or another suitable gas. In particular, when the internal combustion engine is designed as a gas engine, it is suitable for use in a cogeneration plant for stationary power generation.

Besonders bevorzugt wird ein Einsatz der Brennkraftmaschine im Bereich der Energieerzeugung, insbesondere in einem stationären Betrieb zur Stromerzeugung und somit zum Antrieb eines Generators. Die Brennkraftmaschine ist in diesem Fall besonders bevorzugt als Gasmotor ausgebildet. Particularly preferred is an application of the internal combustion engine in the field of power generation, in particular in a stationary operation for power generation and thus for driving a generator. The internal combustion engine is particularly preferably designed as a gas engine in this case.

Besonders bevorzugt wird ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine, bei welchem diese als Gasmotor ausgebildet ist, insbesondere als Großgasmotor und ganz besonders als Magergasmotor. Dabei verwirklichen sich aufgrund der einerseits sehr mageren Verbrennung in der Hauptkammer und andererseits des stark angefetteten Gemischs in der Vorkammer in besonderer Weise die Vorteile, welche das in der Vorkammer angeordnete Katalysatormaterial mit sich bringt. Particularly preferred is an embodiment of the internal combustion engine in which it is designed as a gas engine, in particular as a large gas engine and especially as a lean-burn gas engine. In this case, due to the one hand, very poor combustion in the main chamber and on the other hand, the highly enriched mixture in the antechamber in a special way, the benefits that brings the arranged in the pre-chamber catalyst material with it.

Die Brennkraftmaschine kann aber auch mit stöchiometrischem Verbrennungsluft-Brennstoff-Verhältnis betrieben werden, also bei einem Lambda-Wert von 1. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine eine Abgasrückführstrecke aufweist. However, the internal combustion engine can also be operated with a stoichiometric combustion air / fuel ratio, ie at a lambda value of 1. It is possible for the internal combustion engine to have an exhaust gas recirculation path.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine mit einem Ausführungsbeispiel einer Vorkammer. The invention will be explained in more detail below with reference to the drawing. The single FIGURE shows a schematic representation of an embodiment of an internal combustion engine with an embodiment of an antechamber.

Die einzige Fig. zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine 1 mit wenigstens einem Brennraum 3, der unterteilt ist in eine Hauptkammer 5 und eine Vorkammer 7. The only Fig. Shows an embodiment of an internal combustion engine 1 with at least one combustion chamber 3 which is divided into a main chamber 5 and an atrium 7 ,

Die Brennkraftmaschine 1 weist vorzugsweise eine Mehrzahl – insbesondere identischer – Brennräume 3 auf. Insbesondere ist es möglich, dass die Brennkraftmaschine 1 vier Zylinder, sechs Zylinder, acht Zylinder, zehn Zylinder, zwölf Zylinder, sechzehn Zylinder, achtzehn Zylinder, zwanzig Zylinder oder vierundzwanzig Zylinder aufweist. Auch eine andere oder abweichende Anzahl von Brennräumen 3 ist möglich. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Reihenmotor, als V-Motor oder als W-Motor, oder aber mit einer anderen geeigneten Konfiguration der Brennräume 3 ausgebildet. Insbesondere ist die Brennkraftmaschine 1 bevorzugt als Hubkolbenmotor ausgebildet, wobei in der Hauptkammer 5 ein Kolben 9 verlagerbar angeordnet ist. The internal combustion engine 1 preferably has a plurality - in particular identical - combustion chambers 3 on. In particular, it is possible that the internal combustion engine 1 four cylinders, six cylinders, eight cylinders, ten cylinders, twelve cylinders, sixteen cylinders, eighteen cylinders, twenty cylinders or twenty-four cylinders. Also another or different number of combustion chambers 3 is possible. The internal combustion engine is preferably as a series engine, as a V-engine or as a W-engine, or with another suitable configuration of the combustion chambers 3 educated. In particular, the internal combustion engine 1 preferably designed as a reciprocating engine, wherein in the main chamber 5 a piston 9 is arranged displaceably.

Ein Innenraum 11 der Vorkammer 7 ist durch eine Wandung 13 von der Hauptkammer 5 getrennt, wobei die Wandung 13 durch wenigstens eine Bohrung 15, hier durch vier in der Figur dargestellte Bohrungen 15 durchsetzt ist. Diese Bohrungen 15 werden auch als Schusskanäle bezeichnet. An interior 11 the antechamber 7 is through a wall 13 from the main chamber 5 separated, with the wall 13 through at least one hole 15 , here by four holes shown in the figure 15 is interspersed. These holes 15 are also called shot channels.

Die Vorkammer 7 ist vorzugsweise als gespülte Vorkammer ausgebildet, wobei ihr eine separate Brennstoffversorgung 17 zugeordnet ist, die insbesondere separat ist von einer nicht dargestellten Brennstoffversorgung für die Hauptkammer 5. The antechamber 7 is preferably designed as a purged pre-chamber, with her a separate fuel supply 17 which is in particular separate from a fuel supply, not shown, for the main chamber 5 ,

Das Funktionsprinzip einer solchen gespülten Vorkammer 7 ist, dass lokal um eine in der Vorkammer 7 angeordnete Zündeinrichtung 19 ein fettes Gemisch erzeugt wird, welches leicht gezündet werden kann. Die Verbrennung dieses fetten Gemischs führt zu einem schnellen Druckanstieg in der Vorkammer 7, wodurch Fackelstrahlen oder Zündstrahlen durch die Bohrungen 15, mithin die Schusskanäle, in die Hauptkammer 5 geschossen werden. Diese entzünden wiederum das in der Hauptkammer 5 angeordnete, deutlich magerere Gemisch. Aufgrund der Verbrennung eines relativ fetten Gemischs in der Vorkammer entstehen hier hohe Schadstoffkonzentrationen, insbesondere hohe Konzentrationen an Stickoxiden aufgrund der heißen Verbrennungstemperatur. Typischerweise werden die Gesamtemissionen einer solchen Brennkraftmaschine 1 durch weiteres Abmagern des Gemischs in der Hauptkammer 5 oder durch Anreichern des Gemischs in der Vorkammer 7 mit Luft gesenkt. Beide Vorgehensweisen haben jedoch Nachteile, insbesondere in Hinblick auf den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 1 und/oder in Hinblick auf eine sichere Entflammung des mageren Gemischs in dem Hauptbrennraum 5. The functional principle of such a purged prechamber 7 is that locally around one in the antechamber 7 arranged ignition device 19 a rich mixture is generated, which can be easily ignited. The combustion of this rich mixture leads to a rapid pressure increase in the antechamber 7 , causing torches or firing through the holes 15 , hence the shot channels, into the main chamber 5 to be shot. These in turn ignite that in the main chamber 5 arranged, significantly leaner mixture. Due to the combustion of a relatively rich mixture in the prechamber arise here high pollutant concentrations, especially high concentrations of nitrogen oxides due to the hot combustion temperature. Typically, the total emissions of such an internal combustion engine 1 by further leaning the mixture in the main chamber 5 or by enriching the mixture in the antechamber 7 lowered with air. However, both approaches have disadvantages, especially with regard to the efficiency of the internal combustion engine 1 and / or with a view to a safe ignition of the lean mixture in the main combustion chamber 5 ,

Das hier dargestellte Ausführungsbeispiel der Vorkammer 7 weist wenigstens ein – insbesondere zur Katalyse einer Reduktion von Stickoxiden – eingerichtetes Katalysatormaterial 21 auf. Daher ist es hier möglich, die während der Verbrennung des fetten Gemischs in der Vorkammer 7 entstehenden Schadstoffe, insbesondere die dort entstehenden Stickoxide, direkt an der Stelle zu reduzieren, wo sie entstehen, nämlich noch in der Vorkammer 7. Dadurch können in sehr effizienter Weise die Gesamtemissionen der Brennkraftmaschine 1 gesenkt oder – insbesondere unter Gewinn an Wirkungsgrad durch Anfettung des Gemischs in der Hauptkammer 5 – konstant gehalten werden. The embodiment of the prechamber shown here 7 has at least one - especially for the catalysis of a reduction of nitrogen oxides - set up catalyst material 21 on. Therefore, it is possible here, during the combustion of the rich mixture in the antechamber 7 to reduce the resulting pollutants, especially the resulting nitrogen oxides, directly at the point where they arise, namely still in the antechamber 7 , This allows the total emissions of the internal combustion engine in a very efficient manner 1 lowered or - especially with gain in efficiency by enrichment of the mixture in the main chamber 5 - kept constant.

Dabei zeigt sich, dass bei modernen Großgasmotoren mit gespülter Vorkammer 7 ein Großteil der Stickoxidemissionen während der sehr heißen Verbrennung in der Vorkammer 7 entsteht. Dabei beträgt ein Verhältnis von in der Vorkammer 7 entstehenden Stickoxiden zu in der Hauptkammer 5 entstehenden Stickoxiden ungefähr 2:1. Somit besteht insbesondere Spielraum, sowohl die Gesamtemissionen der Brennkraftmaschine 1 zu senken, als auch deren Wirkungsgrad durch Anfetten des Gemischs in der Hauptkammer 5 anzuheben, insbesondere sogar bei schärferen Emissionsgrenzwerten. It shows that in modern large gas engines with purged prechamber 7 Much of the nitrogen oxide emissions during the very hot combustion in the antechamber 7 arises. This is a ratio of in the antechamber 7 resulting nitrogen oxides in the main chamber 5 resulting nitrogen oxides approximately 2: 1. Thus, there is particular latitude, both the total emissions of the internal combustion engine 1 as well as their efficiency by enriching the mixture in the main chamber 5 especially with stricter emission limits.

Zusätzlich ergeben sich deutliche Kostenvorteile gegenüber herkömmlichen Brennkraftmaschinen 1 mit herkömmlichen Abgasnachbehandlungssystemen, da deutlich kleinere Katalysatoren in einem Abgasstrang der Brennkraftmaschine 1 zum Einsatz kommen können, oder da herkömmliche Abgasnachbehandlungseinrichtungen sogar wegfallen können. Dabei ergeben sich zusätzlich Bauraumvorteile. Dies ist insbesondere bei marinen Anwendungen der Brennkraftmaschine 1 vorteilhaft. In addition, there are significant cost advantages over conventional internal combustion engines 1 with conventional exhaust aftertreatment systems, as much smaller catalysts in an exhaust line of the internal combustion engine 1 can be used, or because conventional exhaust aftertreatment devices can even be eliminated. This results in additional space advantages. This is especially in marine applications of the internal combustion engine 1 advantageous.

Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist in dem Innenraum 11 der Vorkammer ein Substrat 23 angeordnet, welches mit dem Katalysatormaterial 21 beschichtet ist. In the embodiment shown here is in the interior 11 the antechamber a substrate 23 arranged, which with the catalyst material 21 is coated.

Alternativ oder zusätzlich ist das wenigstens eine Katalysatormaterial auch in den Bohrungen 15 angeordnet, wobei auch dort vorzugsweise das Substrat 23 angeordnet ist, welches mit dem Katalysatormaterial 21 beschichtet ist. Alternatively or additionally, the at least one catalyst material is also in the bores 15 arranged there, wherein also there preferably the substrate 23 is arranged, which with the catalyst material 21 is coated.

Alternativ oder zusätzlich ist vorzugsweise eine innere Wandfläche 25 der Vorkammer 7 mit dem Katalysatormaterial 21 beschichtet. Dabei handelt es sich bei der Wandfläche 25 insbesondere um eine Innenfläche der Wandung 13. Alternatively or additionally, preferably an inner wall surface 25 the antechamber 7 with the catalyst material 21 coated. This is the wall surface 25 in particular around an inner surface of the wall 13 ,

Das Katalysatormaterial 21 ist vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Rhodium, Platin, Palladium, Cer, Lanthan, Aluminiumoxid und Zirconiumoxid. Das Substrat ist vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus einem keramischen Substrat und einem metallischen Substrat. Als keramisches Substrat kommt insbesondere Cordierit infrage, als metallisches Substrat insbesondere eine Legierung. The catalyst material 21 is preferably selected from a group consisting of rhodium, platinum, palladium, cerium, lanthanum, alumina and zirconia. The substrate is preferably selected from a group consisting of a ceramic substrate and a metallic substrate. As a ceramic substrate is in particular cordierite in question, as a metallic substrate, in particular an alloy.

Besonders bevorzugt werden Substrat/Katalysatormaterial-Systeme, die auch für 3-Wege-Katalysatoren in herkömmlichen Ottomotoren zum Einsatz kommen, wobei diese hohen Temperaturen standhalten. Es ist auch möglich, dass nur das Katalysatormaterial selbst ausgebildet ist als Beschichtung, insbesondere als Washcoat, eines herkömmlichen 3-Wege-Katalysators für einen Ottomotor. Particularly preferred are substrate / catalyst material systems, which are also used for 3-way catalysts in conventional gasoline engines, which withstand high temperatures. It is also possible that only the catalyst material itself is formed as a coating, in particular as a washcoat, of a conventional 3-way catalyst for a gasoline engine.

Die Brennkraftmaschine 1 ist vorzugsweise als Gasmotor, insbesondere als Großgasmotor, und bevorzugt als Magergasmotor ausgebildet. The internal combustion engine 1 is preferably designed as a gas engine, in particular as a large gas engine, and preferably as a lean-burn gas engine.

Insgesamt zeigt sich, dass mittels der Vorkammer 7 und der Brennkraftmaschine 1 in besonders effizienter Weise einfach und kostengünstig die Gesamtemissionen der Brennkraftmaschine 1 – gegebenenfalls noch unter Anhebung des Wirkungsgrads – gesenkt werden können, wobei sich Kostenvorteile und/oder Bauraumvorteile gegenüber herkömmlichen Ausgestaltungen der Brennkraftmaschine 1 und insbesondere eines herkömmlichen Abgasnachbehandlungssystems derselben ergeben. Overall, it turns out that by means of the antechamber 7 and the internal combustion engine 1 in a particularly efficient way simple and inexpensive, the total emissions of the internal combustion engine 1 - If necessary, while raising the efficiency - can be reduced, with cost advantages and / or space advantages over conventional embodiments of the internal combustion engine 1 and in particular a conventional exhaust aftertreatment system thereof.

Claims

Antechamber ( 7 ) for an internal combustion engine ( 1 ), characterized in that the antechamber ( 7 ) at least one catalyst material ( 21 ) having.

Antechamber ( 7 ) according to claim 1, characterized in that in the antechamber ( 7 ) at least one with the at least one catalyst material ( 21 ) coated substrate ( 23 ) is arranged.

Antechamber ( 7 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the antechamber ( 7 ) a wall ( 13 ) through at least one bore ( 15 ), wherein the at least one catalyst material ( 21 ) in the at least one bore ( 15 ) is arranged.

Antechamber ( 7 ) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one inner wall surface ( 25 ) the antechamber ( 7 ) at least partially with the at least one catalyst material ( 21 ) is coated.

Antechamber ( 7 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the antechamber ( 7 ) with a fuel supply ( 17 ) is connectable.

Antechamber ( 7 ) According to one of the preceding claims, characterized in that the catalyst material ( 21 ) is selected from a group consisting of rhodium, platinum, palladium, cerium, lanthanum, alumina and zirconia.

Antechamber ( 7 ) According to one of the preceding claims, characterized in that the substrate is selected from a group consisting of a ceramic substrate, in particular cordierite, and a metallic substrate, in particular an alloy.

Internal combustion engine ( 1 ) with at least one combustion chamber ( 3 ) placed in a main chamber ( 5 ) and an antechamber ( 7 ), wherein the antechamber ( 7 ) with the main chamber ( 5 ) via at least one bore ( 15 ) is in fluid communication, characterized in that the antechamber ( 7 ) at least one catalyst material ( 21 ), wherein the antechamber ( 7 ) is preferably formed according to one of claims 1 to 7.

Internal combustion engine ( 1 ) According to claim 8, characterized in that a separate fuel supply ( 17 ) for the antechamber ( 7 ) is provided.

Internal combustion engine ( 1 ) according to one of claims 8 and 9, characterized in that the Internal combustion engine is designed as a gas engine, in particular as a lean-burn gas engine.