DE102021109337A1

DE102021109337A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102021109337A1
Application number: DE102021109337.6A
Authority: DE
Inventors: Ricardo Afonso Pereira Braz Abrantes; Kurt Prevedel; Paul Kapus; Josef Wolkerstorfer
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 2020-04-16
Filing date: 2021-04-14
Publication date: 2021-10-21
Also published as: AT523742B1; AT523742A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit einer mit einem Hauptbrennraum (5) über Übertrittskanäle (4) verbundenen Vorkammer (1), wobei eine Vorkammerwand (8) der Vorkammer (1) zumindest abschnittsweise eine thermische Isolierung (9) aufweistUm auf möglichst einfache Weise die Wärmeverluste im Bereich der Vorkammer zu vermindern, ist vorgesehen, dass die thermische Isolierung (9) durch zumindest eine thermisch isolierende Beschichtung (10, 11) der Vorkammerwand (8) gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit einer mit einem Hauptbrennraum über Übertrittskanäle verbundenen Vorkammer, wobei eine Vorkammerwand der Vorkammer zumindest abschnittsweise eine thermische Isolierung aufweist.
Brennverfahren mit Vorkammer kommen unter anderem in mager betriebenen fremdgezündeten Brennkraftmaschinen, insbesondere in Gasmotoren zur Anwendung. Der Vorteil einer Verbrennungseinleitung in der Vorkammer, anstatt im Hauptbrennraum besteht darin, dass auch bei hohen Luftverhältnissen eine geringe Zündenergie ausreicht, um eine effiziente und dennoch schadstoffarme Verbrennung der gesamten Zylinderladung sicherzustellen.
Die Vorkammer ist mit dem Hauptbrennraum über eine oder mehrere durch Bohrungen gebildete Übertrittskanäle strömungsverbunden. Das Kraftstoff/LuftGemisch strömt über eine oder mehrere Einlassventile in den Hauptbrennraum und wird in weiterer Folge während des Verdichtungsvorganges in die Vorkammer geschoben, so dass in dieser ein brennbares Gemisch zur Verfügung steht.
Zur Entflammung des Kraftstoff/Luft-Gemisches werden elektrische Funkenzündsysteme und auch Zündstrahlverfahren angewandt. Im Falle einer elektrischen Funkenzündung wird vielfach noch zusätzlich Kraftstoff oder ein Kraftstoff/Luft-Gemisch in die Vorkammer eingebracht, um am Ort der Verbrennungseinleitung ein im Vergleich zum Hauptbrennraum, deutlich fetteres und damit auch zündwilligeres Gemisch zur Verfügung zu haben.
Während bei den elektrischen Zündsystemen die Verbrennungseinleitung durch einen Überschlag eines Zündfunkens zwischen den Elektroden der Zündkerze erfolgt, wird bei dem Zündstrahlverfahren eine kleine Menge flüssigen Brennstoffes unter hohem Druck in die Vorkammer eingespritzt. Diese entzündet sich bei ausreichend hohen Verdichtungstemperaturen selbst und initialisiert in weiterer Folge die Verbrennung des Kraftstoff/Luft-Gemisches.
Aus der Vorkammer strömen Flammenfackeln in den Hauptbrennraum und entflammen auch das dort befindliche Brenngas/Luft-Gemisch.
Zur Erzielung einer stabilen Verbrennung in der Vorkammer ist bei sämtlichen Konzepten ein ausreichend hohes Temperaturniveau in der Vorkammer erforderlich.
Dies gilt insbesondere für Brennkraftmaschinen mit Zündstrahlverfahren und für Konzepte mit homogener Verbrennung in der Vorkammer. Damit es zu einer Selbstzündung des eingespritzten oder eingeblasenen Zündstrahles kommt, muss die Selbstzündungstemperatur überschritten werden. Die Temperaturerhöhung des in der Vorkammer befindlichen Restgas/Kraftstoff/Luft-Gemisches resultiert primär aus dem Verdichtungsvorgang. Wandwärmeverluste verringern jedoch wiederum die Temperatur des Gasgemisches und erschweren damit die Selbstzündung. Speziell beim Start eines Zündstrahlmotors sind die Wandwärmeverluste besonders hoch, was den Motorstart erheblich erschwert.
Aber auch bei Brennkraftmaschinen mit elektrischer Zündung, mit und ohne zusätzlicher Kraftstoffzufuhr (oder Kraftstoff/Luft-Gemischzufuhr) führen zu große Wandwärmeverluste zu einer schlechten Verbrennung in der Vorkammer. Insbesondere bei hohen Luftverhältnissen in der Vorkammer zum Zündzeitpunkt führt dies zu einer schlechten Verbrennung.
Aus der EP 0 097 320 A2 ist eine Vor- oder Wirbelkammer für Verbrennungsmotoren bekannt, welche einen den Innenraum formenden inneren Formkörper und einen eine Wärmeisolierung bildenden äußeren Formkörper aus keramischem Werkstoff aufweist, der durch Schrumpfen oder Kleben außen mit dem inneren Formkörper verbunden ist. Vorkammern mit Wärmeisolierungen an der Außenseite des Vorkammerkörpers sind auch aus der Veröffentlichung DE 864 173 B bekannt. Nachteilig ist, dass diese bekannten Vorkammern mit thermischer Isolierung einen erhöhten Herstellungsaufwand aufweisen. Trotz Isolierung werden die Vorkammern mechanisch und thermisch stark belastet. Für eine Nachrüstung sind derartig isolierte Vorkammern wenig geeignet.
Die DE 198 00 751 A1 zeigt eine Brennkraftmaschine mit einer Hauptverbrennnungskammer und einer Vorverbrennungskammer, in welche eine Gas-Brennstoff-Einführöffnung einmündet. Das Vorverbrennungskammerelement ist aus wärmebeständigen Keramikmaterialien hergestellt, um eine Wärmeisolierung auszubilden.
Die DE 38 32 261 A1 beschreibt eine Vorkammerkonstruktion für eine Brennkraftmaschine mit einer Vorkammer, die durch einen keramischen Körper gebildet ist, der eine Aufnahmeöffnung für eine Glühkerze aufweist und der in einen zur Aufnahme einer Vorkammer vorgesehenen Hohlraum eines metallischen Zylinderkopfes eingesetzt wird.
Die US 5,065,714 zeigt eine Vorkammer, welche aus wärmeisolierendem Material besteht.
Die AT 413 855 B beschreibt eine Brennkraftmaschine mit einer mit einem Hauptbrennraum verbundenen Vorkammer, wobei die Vorkammer eine thermische Isolierung aufweist, welche durch einen in die Vorkammer eingesetzten Isolierungseinsatz gebildet ist. Dadurch ergeben sich allerdings geometrischer Zwänge, weshalb diese Lösung nicht für alle Fälle geeignet ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannter Art die Wärmeverluste im Bereich der Vorkammer zu vermindern.
Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung dieser Aufgabe dadurch, dass die thermische Isolierung durch zumindest eine thermisch isolierende Beschichtung der Vorkammerwand gebildet ist.
Unter Vorkammerwand ist im Sinne der Erfindung ein das gesamte Vorkammervolumen - also Innenraum der Vorkammer und Übertrittskanäle - aufspannende Wandbereich zu verstehen.
Vorzugsweise ist zumindest eine erste thermisch isolierende Beschichtung auf der dem Innenraum der Vorkammer zugewandten Innenseite der Vorkammerwand angeordnet.
Im Vergleich zu thermischen Isolierungseinsätzen und Vorkammern, welche durch einen Keramikkörper gebildet werden, stehen wesentlich mehr geometrische Freiheiten zur Verfügung, wenn die thermische Isolierung durch eine thermisch isolierende Beschichtung gebildet ist. Thermisch isolierende Beschichtungen der Vorkammerwand können für alle möglichen Vorkammerformen eingesetzt werden.
Dadurch kann ein verbessertes Kaltstartverhalten erzielt werden. Insbesondere ist es möglich ein Auslöschen der Flamme zu vermeiden und auch Klopfen und Vorzünden in der Vorkammer zu kontrollieren.
In weiterer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest ein Übertrittskanal, insbesondere alle Übertrittskanäle, eine zweite thermisch isolierende Beschichtung aufweist.
Der Bereich der Übertrittskanäle zwischen Vorkammer und Hauptbrennraum stellt eine besonders große Temperatursenke dar, da das Verhältnis der Oberfläche zum Gasvolumen am größten ist. Insbesondere beim Kaltstart der Brennkraftmaschine kann es beim Übertreten der Flammfackeln von der Vorkammer über die Übertrittskanäle in den Hauptbrennraum durch die kalten Kanalwände zum Erlöschen der Flammfackeln kommen. Eine thermische Isolierung der Übertrittskanäle vermindert die Wärmeableitung in den Metallkörper des Zylinderkopfes und wirkt sich somit besonders günstig auf das Kaltstartverhalten aus.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe also dadurch gelöst, dass eine thermisch isolierende Beschichtung nur auf der Außenseite oder der Innenseite der Vorkammerwand, nur an der Innenseite des Übertrittskanals oder auf mehreren der vorgenannten Flächen angeordnet ist.
In einer vorteilhaften Ausführung ist die Vorkammerwand vollständig thermisch isoliert.
Als thermische isolierende Beschichtung können beispielsweise keramische Werkstoffe verwendet werden.
In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest eine thermisch isolierende Beschichtung aus einem nichtkeramischen Werkstoff besteht. Auch der Vorkammerkörper, inklusive Vorkammerwände besteht vorteilhafter Weise aus einem nichtkeramischen Werkstoff, beispielsweise aus Metall.
Nichtkeramische Werkstoffe weisen ein besseres mechanisches Verhalten als keramische Werkstoffe auf und sind meistens kostengünstiger.
Das Material der Beschichtung weist bevorzugt niedrige Wärmeleitfähigkeit und möglichst geringe thermische Masse auf.
Materialien, die sich beispielsweise als Beschichtung eignen, sind beispielsweise Zirconoxid oder SiRPA (Silica Reinforced Porous Anodized Aluminum).
Die Vorkammer kann als passive Vorkammer oder als aktive Vorkammer ausgebildet sein. Bei passiven Vorkammern gelangt das Kraftstoff/Luftgemisch über die Übertrittskanäle vom Hauptbrennraum in die Vorkammer und wird hier durch eine in die Vorkammer einmündende Zündvorrichtung gezündet. Bei aktiven Vorkammern wird Kraftstoff oder ein Kraftstoff/Luft-Gemisch über eine in die Vorkammer mündende Kraftstoffzuführvorrichtung oder eine Kraftstoff/LuftGemisch-Zuführvorrichtung direkt in die Vorkammer eingebracht und über eine in die Vorkammer einmündende Zündvorrichtung gezündet.
In einer erfindungsgemäßen Ausführung mündet eine Kraftstoffzuführvorrichtung oder eine Kraftstoff/Luft-Gemisch-Zuführvorrichtung in die Vorkammer ein. Der der Vorkammer zugeführte Kraftstoff liegt vorteilhaft im Bereich von 1% bis 6%, besonders vorteilhaft zwischen 1,5% und 3%, des in einem Zyklus zugeführten Kraftstoffs. Die Summe des der Vorkammer und der Hauptkammer zugeführten Kraftstoffs entspricht 100%.
Mit den beschriebenen Maßnahmen zur Wärmeisolation erreicht das Restgas/Brenngas/Luft-Gemisch in der Vorkammer gegen Ende der Verdichtung (kurz bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht) ausreichend hohe Temperaturen, um auch bei kaltem Motor eine Verbrennung des Gemisches im Hauptbrennraum einzuleiten. Vor allem aber werden die Wärmeverluste über die Vorkammerwand minimalisiert, wodurch die Verbrennung in einem weiteren Bereich der Betriebsbedingungen unterstützt werden kann.
Zur Erzielung einer effizienten und vorzugsweise homogenen Verbrennung ist die Vorkammer im Wesentlichen mittig im Hauptbrennraum angeordnet. Vorzugsweise sind hierbei die Übertrittskanäle gleichmäßig um den Umfang der Vorkammer verteilt angeordnet, damit die Flammenfackeln gleichmäßig verteilt in den Hauptbrennraum strömen und zu einer gleichmäßigen Verbrennung führen.
Für eine effiziente Verbrennung beträgt das Volumen der Vorkammer zwischen 1% und 5%, insbesondere zwischen 1,5% und 2%, des Kompressionsvolumens des Hauptbrennraums, also des verbleibenden Volumens im oberen Totpunkt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Figur dargestellten nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Die Figur zeigt eine erfindungsgemäße Vorkammer 1 einer Brennkraftmaschine im Längsschnitt.
Die Vorkammer 1 ist im Zylinderkopf 2 einer nicht weiter dargestellten Brennkraftmaschine angeordnet. Der Innenraum 3 der Vorkammer 1 mündet über Übertrittskanäle 4 in einen Hauptbrennraum 5 der Brennkraftmaschine. Mit Bezugszeichen 6 ist im Ausführungsbeispiel eine in die Vorkammer 1 einmündende Zündeinrichtung bezeichnet. In einer nicht dargestellten Ausführungsvariante kann weiters eine durch ein Einspritzventil oder Einblaseventil gebildete Kraftstoffzuführvorrichtung oder eine Kraftstoff/Luft-Gemisch-Zuführvorrichtung in die Vorkammer 1 einmünden. In vorteilhafter Weise ist die Vorkammer mittig im Hauptbrennraum 5 angeordnet.
Der Vorkammerkörper 7 der Vorkammer 1 ist im Ausführungsbeispiel durch den Zylinderkopf 2 gebildet. Es ist aber auch möglich, den Vorkammerkörper 7 separat zum Zylinderkopf 2 auszubilden. Die Längsachse der Vorkammer 1 ist mit 1a bezeichnet.
Die Vorkammerwand 8 der Vorkammer 1 weist eine thermische Isolierung 9 auf, welche durch eine erste thermisch isolierende Beschichtung 10 an der Innenseite 8a der Vorkammerwand 8 gebildet ist, die dem Innenraum 3 der Vorkammer 1 zugewandt ist. Die erste thermisch isolierende Beschichtung 10 kleidet im Ausführungsbeispiel die Vorkammer 1 in vorteilhafter Weise zur Gänze aus.
Weiters weisen auch die Übertrittskanäle 4 eine thermische Isolierung 9 auf, wobei die thermische Isolierung 9 der Übertrittskanäle 4 durch eine zweite thermisch isolierende Beschichtung 11 gebildet ist, welche an der Innenseite 4a der Übertrittskanäle 4 aufgebracht ist.
Sowohl die erste thermisch isolierende Beschichtung 10 als auch die zweite thermisch isolierende Beschichtung 11 bestehen aus einem keramischen oder nichtkeramischen Werkstoff. Insbesondere die Verwendung eines nichtkeramischen Werkstoffs als thermisch isolierende Beschichtung verbessert das mechanische Verhalten und hält den Herstellungsaufwand sehr gering.
Die Übertrittskanäle 4 sind gleichmäßig um den Umfang der Vorkammer 1 verteilt angeordnet, damit die Flammenfackeln gleichmäßig verteilt in den Hauptbrennraum 5 strömen und zu einer gleichmäßigen Verbrennung führen. Insbesondere sind die Übertrittskanäle 4 auch auf gleicher Höhe angeordnet. Insbesondere sind die Achsen der Übertrittskanäle 4 hinsichtlich ihres Winkels zur Längsachse 1a der Vorkammer 1 identisch.
Mit den beschriebenen Maßnahmen kann das Kaltstartverhalten der Brennkraftmaschine mit sehr geringem Aufwand und ohne Einbußen an geometrischen Freiheiten effizient verbessert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0097320 A2 [0010]
DE 864173 B [0010]
DE 19800751 A1 [0011]
DE 3832261 A1 [0012]
US 5065714 [0013]
AT 413855 B [0014]

Claims

Fremdgezündete Brennkraftmaschine mit einer mit einem Hauptbrennraum (5) über Übertrittskanäle (4) verbundenen Vorkammer (1), wobei eine Vorkammerwand (8) der Vorkammer (1) zumindest abschnittsweise eine thermische Isolierung (9) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Isolierung (9) durch zumindest eine thermisch isolierende Beschichtung (10, 11) der Vorkammerwand (8) gebildet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine erste thermisch isolierende Beschichtung (10) auf einer einem Innenraum (3) der Vorkammer (1) zugewandten Innenseite (8a) der Vorkammerwand (8) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Übertrittskanal (4), insbesondere alle Übertrittskanäle (4), eine zweite thermisch isolierende Beschichtung (11), insbesondere an einer Innenseite (4a) des Übertrittskanals (4), aufweist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammerwand (8) vollständig isoliert ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine thermisch isolierende Beschichtung (10, 11) aus einem nichtkeramischen Werkstoff gebildet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in die Vorkammer (1) zumindest eine Zündvorrichtung (6) einmündet.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in die Vorkammer (1) zumindest eine Kraftstoffzuführvorrichtung einmündet, die insbesondere zwischen 1% und 6% des Kraftstoffs eines Zyklus der Vorkammer zuführt.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in die Vorkammer (1) zumindest eine Kraftstoff/LuftGemisch-Zuführvorrichtung einmündet.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer (1) im Wesentlichen mittig im Hauptbrennraum (5) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertrittskanäle (4) derart angeordnet sind, dass die Flammenfackeln gleichmäßig verteilt in den Hauptbrennraum (5) strömen.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der Vorkammer (1) zwischen 1% und 5%, insbesondere zwischen 1,5% und 2%, des Kompressionsvolumens des Hauptbrennraums (5) beträgt.