-
Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Motor und insbesondere eine Vorkammeranordnung für einen solchen Motor.
-
Hintergrund
-
In Motoren, die eine Vorkammer einsetzen, die auch als Verbrennungsvorkammer bezeichnet wird, ist die Vorkammer allgemein in einem Zylinderkopf des Motors vorgesehen. Die Vorkammer steht in Fluidverbindung mit der Hauptkammer eines Zylinders in dem Motor. Eine Pilotladung Kraftstoff und Luft wird in die Vorkammer eingeleitet. Die Verbrennung beginnt in der Vorkammer und setzt sich von der Vorkammer in die Hauptkammer fort, um eine Hauptladung Kraftstoff und Luft zu verbrennen. Motoren, die Vorkammern einsetzen, können hohe Verdichtungsverhältnisse und Leistungsabgaben erzielen, doch kann während des Betriebs die Temperatur in der Vorkammer die Temperatur in der Hauptkammer übersteigen.
-
Die japanische Patentveröffentlichung
JP2015055185A an Toho Gas KK offenbart einen Gasmotor mit einer Verbrennungskammer. Eine Stopfenabdeckung bildet eine Zündkammer in der Verbrennungskammer. Die Stopfenabdeckung weist mehrere Kommunikationsanschlüsse auf, die der Zündkammer ermöglichen, mit der Verbrennungskammer zu kommunizieren. Eine Zündkerze ist in der Zündkammer vorgesehen, um die Verbrennung auszulösen. Ein Abgasdurchgang, der durch ein Auslassventil gesteuert wird, öffnet sich in die Zündkammer, um heiße Verbrennungsgase darin auszustoßen, um die Haltbarkeit der Zündkerze zu verbessern.
-
Zusammenfassung der Offenbarung
-
Es hat sich gezeigt, dass eine beträchtliche Menge an NOx-Emissionen in der Vorkammer während der Verbrennung der Hauptladung Kraftstoff und Luft in der Hauptkammer entstehen kann. Wenn die Hauptkammerverbrennung einsetzt, verbleiben heiße Abgase von der Verbrennung der Pilotladung in der Vorkammer. Die Bewegung der Zylinderkolben zum oberen Totpunkt verdichtet diese heißen Abgase erneut in der Vorkammer. Als Ergebnis werden diese heißen Abgase auf hoher Temperatur und hohem Druck gehalten, bis der Zylinderkolben sich zum unteren Totpunkt bewegt und die Gase sich entspannen. Das Vorliegen von Abgasen mit hoher Temperatur und hohem Druck kann dazu führen, dass beträchtliche NOx-Mengen in der Vorkammer produziert werden.
-
In einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Vorkammeranordnung für einen Zylinder eines Verbrennungsmotors einen Körper, der ein Vorkammervolumen an einem Ende des Körpers definiert. Eine Vielzahl von Anschlüssen ist in dem Körper nahe dem einen Ende ausgebildet, wobei die Anschlüsse das Vorkammervolumen in Fluidverbindung mit dem Zylinder versetzen. Eine nicht betätigte, fixierte Öffnung ist in dem Körper ausgebildet und erstreckt sich zwischen dem Vorkammervolumen und einem Durchgang, der in dem Körper ausgebildet ist, um Verbrennungsgasen in dem Vorkammervolumen zu erlauben, in den Durchgang einzutreten, wobei der Durchgang dazu ausgestaltet ist, Verbrennungsgase darin aus dem Körper zu entlüften.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Verbrennungsmotor einen Zylinder, wobei der Zylinder eine entsprechende, ihm zugeordnete Verbrennungsvorkammer aufweist. Der Motor umfasst einen Körper, der ein Verbrennungsvorkammervolumen definiert. Eine Vielzahl von Anschlüssen ist in dem Körper nahe dem einen Ende ausgebildet, wobei die Anschlüsse das Verbrennungsvorkammervolumen in Fluidverbindung mit dem Zylinder versetzen. Eine nicht betätigte, fixierte Öffnung ist in dem Körper ausgebildet und erstreckt sich zwischen dem Vorkammervolumen und einem Durchgang, der in dem Körper ausgebildet ist, um Verbrennungsgasen in dem Vorkammervolumen zu erlauben, in den Durchgang einzutreten, wobei der Durchgang dazu ausgestaltet ist, Verbrennungsgase darin aus dem Körper zu entlüften.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zur Verringerung der Emissionen von einem Motor, der den Zylinder umfasst, bereitgestellt. Das Verfahren umfasst auch ein Verbrennungsvorkammervolumen in Fluidverbindung mit dem Zylinder über eine Vielzahl von Anschlüssen, und das Bereitstellen einer nicht betätigten, fixierten Öffnung, die sich zwischen dem Vorkammervolumen und einem Durchgang erstreckt, um Verbrennungsgasen in dem Vorkammervolumen zu erlauben, in den Durchgang einzutreten, wobei der Durchgang dazu ausgestaltet ist, Verbrennungsgase darin zu einer Abgassammelleitung, einer Einlasssammelleitung oder einem Emissionsverringerungssystem zu entlüften.
-
Weitere Merkmale und Aspekte dieser Offenbarung werden aus der folgenden Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen klar werden.
-
Figurenliste
-
- 1 veranschaulicht einen Querschnitt eines Zylinderkopfs eines Motors, der mit einer Vorkammeranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ausgestattet ist;
- 2 veranschaulicht die Vorkammeranordnung von 1;
- 3A veranschaulicht die Auswirkung des Öffnungsdurchmessers auf die NOx-Konzentration in einem beispielhaften Vorkammervolumen gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 3B veranschaulicht die Auswirkung des Öffnungsdurchmessers auf die Temperatur in einem beispielhaften Vorkammervolumen gemäß der vorliegenden Offenbarung; und
- 4 veranschaulicht ein Verfahren zur Verringerung der Emissionen von einem Motor gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung.
-
Detaillierte Beschreibung
-
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Vorkammeranordnung für einen Zylinder eines Verbrennungsmotors. Die Vorkammeranordnung umfasst einen Körper, der ein Vorkammervolumen an einem Ende des Körpers definiert. Die Verbrennung einer Pilotladung Kraftstoff und Luft erfolgt in dem Vorkammervolumen. Eine nicht betätigte, fixierte Öffnung ist in dem Körper ausgebildet und erstreckt sich zwischen dem Vorkammervolumen und einem Durchgang, der in dem Körper ausgebildet ist, um Verbrennungsgasen in dem Vorkammervolumen zu erlauben, in den Durchgang einzutreten. Der Durchgang ist dazu ausgestaltet, Verbrennungsgase darin aus dem Körper zu entlüften. Die nicht betätigte fixierte Öffnung und der Durchgang erlauben heißen Verbrennungsgasen in dem Vorkammervolumen, das Vorkammervolumen zu verlassen und durch relativ kühlere Gasen aus einer Hauptkammer, etwa dem Zylinder, ersetzt zu werden. Während sich ein Zylinderkolben zum oberen Totpunkt bewegt, befördert der Druckanstieg die Verbrennungsgase in dem Vorkammervolumen in die Öffnung und den Durchgang. Der Durchgang ist breiter als die Öffnung, so dass heiße Verbrennungsgase einer Kühlung durch Entspannung unterworfen werden, während sie in den Durchgang eintreten. Das Bereitstellen einer nicht betätigten Öffnung vereinfacht die Motorsteuerung und verringert die Komponentenkosten. Der Durchgang kann mit einem beliebigen geeigneten Empfänger für Verbrennungsgase verbunden werden, etwa einer Einlasssammelleitung, einer Abgassammelleitung oder einem Nachbehandlungssystem.
-
Im Folgenden wird nun im Detail auf spezielle Ausführungsformen oder Merkmale Bezug genommen, für die Beispiele in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind. Wo immer dies möglich ist, werden innerhalb der Zeichnungen entsprechende oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, um auf gleiche oder entsprechende Teile zu verweisen. Darüber hinaus erfolgen Bezugnahmen auf verschiedene hierin beschriebene Elemente gemeinsam oder individuell, obwohl mehr als ein Element desselben Typs vorhanden sein kann. Solche Bezugnahmen sind jedoch rein beispielhafter Natur. Es wird angemerkt, dass jegliche Bezugnahme auf Elemente im Singular auch wo ausgelegt werden können, dass sie sich auf den Plural beziehen, und umgekehrt, ohne den Umfang der Offenbarung auf die genaue Anzahl oder den Typ solcher Elemente zu beschränken, es sei denn, dies wird in den beigefügten Ansprüchen explizit angeführt.
-
1 veranschaulicht eine Teilschnittansicht eines Zylinderkopfs 10 und eines Zylinderblocks 12 eines Motors 14. Der Zylinderkopf 10 ist an dem Zylinderblock 12 montiert. Der Motor 14 der Ausführungsform ist ein Gasmotor. Der Motor 14 kann einen Kompressionszündungsmotor, einen Funkenzündungsmotor oder einen beliebigen anderen Typ Verbrennungsmotor, der in der Technik bekannt ist, verkörpern. Der Zylinderblock 12 umfasst mehrere Zylinder 16; einer davon ist in 1 im Querschnitt dargestellt. Die mehreren Zylinder 16 können in einer Reihenkonfiguration, einer radialen Konfiguration oder einer beliebigen anderen Konfiguration, die im Stand der Technik bekannt ist, angeordnet sein. Der Zylinderblock 12 umfasst einen Kolben 18, der innerhalb jedes Zylinders 16 angeordnet ist.
-
Der Kolben 18 oszilliert in einem Hub oder Takt zwischen einem unteren Totpunkt (UT) und einem oberen Totpunkt (OT). Ein Arbeitszyklus des Motors 14 umfasst verschiedene Hübe oder Takte, etwa einen Ansaughub, Verdichtungshub, Ausdehnungshub und Auslasshub. Ein Volumen zwischen dem OT und dem UT definiert einen Hubraum. Der Hubraum gibt das Volumen an, das für das Verbrennen einer Ladung zur Verfügung steht. Der Begriff „Ladung“ bezeichnet hierin ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff. Am OT des Kolbens 18 wird ein Volumen, das zwischen dem Kolben 18 und einem inneren Abschnitt 20 des Zylinderkopfs 10 verfügbar ist, als eine Hauptverbrennungskammer 22 definiert.
-
Der Zylinderkopf 10 umfasst ein Einlassventil 24 zur Einleitung einer Hauptladung in den Zylinder 16. Der Zylinderkopf 10 umfasst auch einen Einlassanschluss (nicht dargestellt), um die Ladung in den Zylinder 16 einzulassen. Sobald die Hauptladung in der Hauptverbrennungskammer 22 verbrannt wurde, werden die Produkte der Verbrennung aus dem Zylinder 16 während des Auslasshubs des Motors 14 über ein Auslassventil 26 ausgestoßen.
-
Der Motor 14 umfasst ferner eine Vorkammeranordnung 28, die in dem Zylinderkopf 10 vorgesehen ist. Die Vorkammeranordnung 28 umfasst einen Körper 30, der ein Vorkammervolumen 32 an einem Ende des Körpers 30 definiert. Das eine Ende 34 der Vorkammeranordnung 28 erstreckt sich in die Hauptverbrennungskammer 22 hinein. Mehrere Anschlüsse 36 sind in dem Körper 30 an dem einen Ende 34 vorgesehen. Die Anschlüsse 36 bilden einen Fluidpfad zwischen dem Vorkammervolumen 32 und dem Zylinder 16.
-
Eine Einspritzdüse 38 ist in der Vorkammeranordnung 28 vorgesehen und leitet während eines Verdichtungshubs des Kolbens 18 eine Pilotladung in das Vorkammervolumen 32 ein. Die Pilotladung wird während eines Vorkammerverbrennungsereignisses verbrannt, das je nach Typ des Verbrennungsmotors ausgelöst wird. Zum Beispiel kann in einem Kompressionszündungsmotor die Verbrennung der Pilotladung durch Verdichtung aufgrund der Bewegung des Kolbens 18 zum OT ausgelöst werden, oder in einem Funkenzündungsmotor durch eine Zündvorrichtung, wie etwa eine Zündkerze oder Glühkerze. Da das Vorkammervolumen 32 fluidmäßig mit dem Zylinder 16 verbunden ist, schreitet die Verbrennung von dem Vorkammervolumen 32 und in die Hauptverbrennungskammer 22 fort, um die Verbrennung der Hauptladung in dem Zylinder 16 auszulösen. Nach dem Vorkammerverbrennungsereignis verbleiben heiße Abgase von der Verbrennung der Pilotladung in dem Vorkammervolumen 32. Während der Kolben 18 sich weiter zum OT bewegt, werden diese heißen Abgase komprimiert und dadurch erwärmt. Als Ergebnis können unerwünschte Emissionen in dem Vorkammervolumen 32 produziert werden, insbesondere NOx.
-
Nun bezugnehmend auf 2, in der die Vorkammeranordnung 28 in vergrößerter Form dargestellt wird, ist in dem Körper 30 eine Öffnung 40 ausgebildet. Die Öffnung 40 erstreckt sich zwischen dem Vorkammervolumen 32 und einem Durchgang 42, der in dem Körper 30 ausgebildet ist. Die Öffnung 40 kann sich von dem einem Ende 34 entfernt in das Vorkammervolumen 32 öffnen. Die Öffnung 40 ist eine nicht betätigte, fixierte Öffnung, was die Notwendigkeit weiterer Ventile und zugehöriger Steuerungen beseitigt, die die Kosten des Motors 14 weiter erhöhen würden.
-
Die Öffnung 40 ermöglicht es, dass heiße Verbrennungsgase in dem Vorkammervolumen 32 in den Durchgang 42 eintreten. Der Durchgang 42 weist eine größere Querschnittsfläche auf als die Öffnung 40, so dass sich die Verbrennungsgase, wenn sie in den Durchgang 42 von der Öffnung 40 her eintreten, entspannen und abkühlen.
-
Der Durchgang 42 kann dazu ausgestaltet sein, Verbrennungsgase darin aus dem Körper 30 zu entlüften. Der Durchgang 42 kann dazu ausgestaltet sein, Verbrennungsgase darin an einen beliebigen geeigneten Empfänger von Verbrennungsgasen zu entlüften, etwa eine Abgassammelleitung, eine Einlasssammelleitung als Teil eines Abgasrückführungssystems oder eine oder mehrere Abgasnachbehandlungsvorrichtungen.
-
In der in 2 dargestellten Ausführungsform ist der Durchgang 42 an einem anderen Ende 44 des Körpers 30 offen. Das andere Ende 44 ist von dem einen Ende 34 entfernt. Eine Verbindungsanordnung (nicht dargestellt) kann vorgesehen werden, wobei sich der Durchgang 42 an dem anderen Ende 44 öffnet, um den weiteren Durchgang der Verbrennungsgase zu ermöglichen. In einem Beispiel kann ein Gewindeabschnitt in dem Durchgang 42 an dem anderen Ende 44 vorgesehen sein, um eine mit einem Gewinde versehene Leitung oder ein solches Rohr aufzunehmen. In anderen Beispielen kann ein Flansch, der von dem anderen Ende 44 wegragt, um den Durchgang 42 herum vorgesehen sein. Andere geeignete Verbindungsanordnungen, die in der Technik bekannt sind, können ebenfalls verwendet werden.
-
Der Durchgang 42 kann nahe einer Außenwand 46 des Körpers 30 entlang eines Abschnitt 48 des Körpers 30 ausgebildet sein. Die Außenwand 46 des Körpers 30 entlang des Abschnitts 48 kann in thermischer Kommunikation mit einem Kühlmantel 50 in dem Motor 14 stehen. Eine solche Anordnung unterstützt die Kühlung der Verbrennungsgase in dem Durchgang 42.
-
Während der Durchgang 42 in der gezeigten Ausführungsform in 1 und 2 so dargestellt ist, dass er sich an dem anderen Ende 44 des Körpers 30 öffnet, kann sich in anderen Ausführungsformen der Durchgang 42 an anderen Stellen an dem Körper 30 öffnen. In einer Ausführungsform öffnet sich der Durchgang 42 entlang der Außenwand 46, um sich mit einem entsprechenden Durchgang, der in dem Zylinderkopf 10 ausgebildet ist, auszurichten. Der entsprechende Durchgang kann sich zu einer Einlasssammelleitung oder einer Abgassammelleitung des Motors erstrecken. In einer weiteren Ausführungsform kann sich der Durchgang 42 in einen Hohlraum 52 erstrecken, der in dem Körper 30 zur Verbindung mit einem Rohr oder einer Leitung ausgebildet ist, wie oben beschrieben. In der in 1 und 2 gezeigten Ausführungsform ist die Einspritzdüse 38 in dem Hohlraum 52 untergebracht.
-
Heiße Abgase von der Verbrennung der Pilotladung, die in dem Vorkammervolumen 32 nach einem Vorkammer-Verbrennungsereignis verbleiben, werden aufgrund des Druckanstiegs durch die fortgesetzte Bewegung des Kolbens 18 zum OT über die Öffnung 40 in den Durchgang 42 befördert. Die heißen Abgase werden durch relativ kühlere Gase von dem Zylinder 16 ersetzt.
-
Die Öffnung 40 kann einen Durchmesser in dem Bereich von 0,5 mm bis 5 mm aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann die Öffnung 40 einen Durchmesser in dem Bereich von 2,0 mm bis 3,5 mm aufweisen. Die Öffnung 40 hat nur vernachlässigbaren Einfluss auf die Verbrennung der Pilotladung in dem Vorkammervolumen 32, da die Verbrennung der Pilotladung so rasch erfolgt, dass nur relativ wenig Gas die Öffnung 40 passieren kann.
-
3B zeigt die Temperatur in einem Beispiel des Vorkammervolumens 32 mit einem Volumen von 700cc, wenn die Öffnung 40 nicht vorhanden ist (als ‚0 mm‘ dargestellt), und wenn die Öffnung 40 einen Durchmesser von 0,5 mm, 1,5 mm, 2,5 mm und 3,5 mm aufweist. Eine erste Spitze ‚A‘ in 3B tritt während der Verbrennung der Pilotladung in dem Vorkammervolumen auf. Die erste Spitze ‚A‘ ist relativ eng und tritt über einen begrenzten Bereich von Kurbelwinkeln auf. Eine zweite Spitze ‚B‘ tritt nach der ersten Spitze ‚A‘ auf. Die zweite Spitze ‚B‘ stellt einen Temperaturanstieg in dem Vorkammervolumen aufgrund des Druckanstiegs von der Hauptkammerverbrennung dar. Wie in 3B veranschaulicht kann das Vorliegen der Öffnung 40 die Verringerung einer Temperatur der Abgase, die in dem Vorkammervolumen 32 vorliegen, unterstützen, was dann wieder die Menge an unerwünschten Emissionen verringern kann, etwa NOx-Emissionen, die in dem Vorkammervolumen 32 produziert werden.
-
3A zeigt die NOx-Konzentration in dem beispielhaften Vorkammervolumen 32 von 700cc, wenn keine Öffnung 40 vorhanden ist (als ‚0 mm‘ dargestellt), und für Öffnungen 40 von jeweils 0,5 mm, 1,5 mm, 2,5 mm und 3,5 mm Durchmesser. Wie in 3A veranschaulicht, wird nur relativ wenig NOx während der Verbrennung der Pilotladung in dem Vorkammervolumen 32 produziert. Ein Großteil der NOx-Emissionen wird in dem Vorkammervolumen 32 während des Hauptkammer-Verbrennungsereignisses produziert, entsprechend der zweiten Spitze ‚B‘ in 3B. Wie in 3A veranschaulicht, kann das Vorliegen der Öffnung 40 die Verringerung der Konzentration von NOx unterstützen, das in dem Vorkammervolumen 32 produziert wird. Wie veranschaulicht kann eine Öffnung 40 mit einem Durchmesser in dem Bereich von 2,0 mm bis 3,5 mm in einem Vorkammervolumen 32 von 700cc eine Konzentration von NOx, die in dem Vorkammervolumen 32 produziert wird, um 23 % bis 54 % verringern.
-
Gewerbliche Anwendung
-
Die Vorkammeranordnung 28 dieser Offenbarung kann zur Verringerung unerwünschter Emissionen, etwa NOx, von einem Verbrennungsmotor Anwendung finden.
-
4 veranschaulicht ein Verfahren 100 zur Verringerung der Emissionen von einem Motor gemäß Ausführungsformen dieser Offenbarung, wobei der Motor einen Zylinder umfasst. Das Verfahren beginnt bei Schritt 102 zur Bereitstellung eines Verbrennungsvorkammervolumens in Fluidverbindung mit dem Zylinder über eine Vielzahl von Anschlüssen. Das Verfahren geht weiter mit Schritt 104 zur Bereitstellung einer nicht-betätigten, fixierten Öffnung, die sich zwischen dem Vorkammervolumen und einem Durchgang erstreckt, um Verbrennungsgasen in dem Vorkammervolumen zu erlauben, in den Durchgang einzutreten. Der Durchgang ist ausgestaltet, um Verbrennungsgase darin an eine Abgassammelleitung, eine Einlasssammelleitung oder ein Emissionsverringerungssystem zu entlüften.
-
Während Aspekte der vorliegenden Offenbarung insbesondere unter Bezugnahme auf die obigen Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurden, wird dem Fachmann klar sein, dass verschiedene zusätzliche Ausführungsformen durch Abwandlung der offenbarten Maschinen, Systeme und Verfahren in Betracht gezogen werden, ohne vom Geist und Umfang des Offenbarten abzuweichen. Solche Ausführungsformen sollen ebenfalls in den Umfang der vorliegenden Offenbarung fallen, auf der Grundlage der Ansprüche und jeglicher Äquivalente davon.
-
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
-
