DE112021002882T5

DE112021002882T5 - Brennkraftmaschine mit mehreren kraftstoffeinspritzungen ausserhalb einer vorkammer

Info

Publication number: DE112021002882T5
Application number: DE112021002882.0T
Authority: DE
Inventors: Harold Schock
Original assignee: Michigan State University MSU
Current assignee: Michigan State University MSU
Priority date: 2020-05-20
Filing date: 2021-05-18
Publication date: 2023-05-17
Also published as: US20210363913A1; US11939905B2; WO2021236559A1; JP2023526964A

Abstract

Eine Verbrennungskraftmaschine (31) schließt mehrere Kraftstoffeinspritzungen außerhalb einer Vorkammer (65) ein. Ein weiterer Aspekt stellt eine Motorvorkammer-Zündvorrichtung bereit, die eine vormontierte und/oder abnehmbare Kartusche (51) einsetzt, die eine Zündvorrichtung (91) und einen Frischlufteinlass, aber keine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, die direkt an derselben angebracht ist, einschließt. Ein anderer Aspekt einer Fahrzeugmotorvorrichtung schließt eine außerhalb einer Vorkammer angeordnete Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (73) ein, die eine größere anfängliche Menge an Kraftstoff für eine Verbrennung und danach eine spätere und kleinere Menge an Kraftstoff für eine Vorkammerzündung liefert.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil der Vorläufigen US-Anmeldung Seriennr. 63/027,371, eingereicht am 20. Mai 2020, die durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK UND KURZDARSTELLUNG
Die vorliegende Anmeldung betrifft im Allgemeinen Verbrennungskraftmaschinen und im Besonderen eine Verbrennungskraftmaschine, die mehrere Kraftstoffeinspritzungen außerhalb einer Vorkammer einschließt.
Es ist bekannt, das mit Verbrennungskraftmaschinen experimentiert wird, die eine Verbrennungsvorkammer, getrennt von einer Hauptverbrennungskammer oder einem Kolbenzylinder, aufweisen. Siehe zum Beispiel das US-Patent Nr. 10,161,296 mit dem Titel „Internal Combustion Engine (Verbrennungskraftmaschine)“, das an den Erfinder des Vorliegenden, Schock et al., am 25. Dezember 2018 erteilt wurde, und die Internationale Patentveröffentlichung PCT Nr. WO 2019/027800 mit dem Titel „Diesel Engine with Turbulent Jet Ignition (Dieselmotor mit Turbulenzstrahlzündung“, die gemeinsam von Schock et al. erfunden wurde, und die hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind. Während diese früheren Turbulenzstrahlzündungskonfigurationen bedeutende Verbesserungen in der Industrie sind, sind zusätzliche Verbesserungen erwünscht, um Teile und deren damit Verbesserungen erwünscht, um Teile und deren damit verbundenen Aufwand zu verringern und um die Bauteile knapper zusammenzupacken, während verbesserte Kraftstoffeffizienzen erreicht werden.
Nach der vorliegenden Erfindung schließt eine Verbrennungskraftmaschine mehrere Kraftstoffeinspritzungen außerhalb einer Vorkammer ein. Ein weiterer Aspekt stellt eine Motorvorkammer-Zündvorrichtung bereit, die eine vormontierte und/oder abnehmbare Kartusche einsetzt, die eine Zündvorrichtung und einen Frischlufteinlass, aber keine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, die direkt an derselben angebracht ist, einschließt. In einem anderen Aspekt schließt eine Verbrennungskraftmaschinenvorrichtung mindestens eine Öffnung ein, die sich zwischen einer Vorkammer und einer Hauptverbrennungskammer erstreckt, wobei sich eine verjüngte und vergrößerte Innenfläche an einem Ende der Öffnung befindet. Ein weiterer Aspekt einer Fahrzeugmotorvorrichtung schließt eine außerhalb einer Vorkammer angeordnete Kraftstoff-Einspritzvorrichtung ein, die eine anfängliche Menge an Kraftstoff für eine Hauptkammerverbrennung und danach eine spätere und kleinere Menge an Kraftstoff für eine Vorkammerzündung liefert. Verfahren zum Fertigen und Verwenden einer Verbrennungskraftmaschine, die mehrere Kraftstoffeinspritzungen außerhalb der Vorkammer einsetzt, werden ebenfalls bereitgestellt.
Die vorliegende Motorvorrichtung ist vorteilhaft gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen. Zum Beispiel verringert die externe Platzierung und Verwendung einer einzigen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung je Kombination von Vorkammer und Kolbenzylinder den Aufwand und die Komplexität mehrerer Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen, während ein verbesserter Einbauraum in der Vorkammerkartusche erreicht wird. Als ein anderes Beispiel ermöglicht die vorliegende Vorkammerkartusche, ohne eine direkt an derselben angebrachte Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, eine Vormontage von Bauteilen an einer anderen Stelle, als wo die Kartusche an den Motorzylinderkopf angebaut wird, und mit Verringerung von Größe, Aufwand, inneren Durchgängen und Montagekomplexität. Darüber hinaus verringert die vorliegende Vorrichtung das Motorgewicht und verbessert die Kraftstoff-Reichweitenleistung. Die Befestigung der vorliegenden Kartusche ist ebenfalls schneller und leichter zu montieren und zu erreichen, während die vorliegende Kartusche wirtschaftlich sinnvoller innerhalb verschiedener Motorzylinderkopf-Konfigurationen einzubauen ist. Zusätzliche Vorteile und Merkmale des vorliegenden Systems und Verfahrens werden offensichtlich werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen, betrachtet in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Draufsicht, welche die vorliegende Motorvorrichtung zeigt, die eine Vorkammerkartusche einsetzt, die an einem Motorzylinderkopf befestigt ist;
2 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 2-2 von 1, welche die vorliegende Vorrichtung zeigt;
3 ist eine perspektivische Draufsicht, welche die Vorkammerkartusche und Nockenwellen der vorliegenden Vorrichtung zeigt, wobei der Motorzylinderkopf entfernt ist;
4 bis 9 eine Reihe von schematischen Seitenansichten sind, welche die Vorkammerkartusche und den Hauptkolbenzylinder der vorliegenden Vorrichtung in unterschiedlichen Betriebszuständen zeigen;
10 ist eine vergrößerte schematische Seitenansicht, die einen Öffnungsanschluss zeigt, der mit der Vorkammerkartusche der vorliegenden Vorrichtung verwendet wird;
11 ist eine graphische Darstellung ist, welche die Zeitsteuerung von Kraftstoffeinspritzung, Zündung und Verbrennung der vorliegenden Vorrichtung zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf 1 bis 3 schließt eine Verbrennungskraftmaschine 31 eines Kraftfahrzeugs einen Motorblock 33 und einen Zylinderkopf 35, der an demselben angebracht ist, ein. Ein Hauptantriebskolben 37 schiebt sich wirksam innerhalb eines Hauptkolbenzylinder-Hohlraums 39 vor und zieht sich zurück, um eine Pleuelstange 41 anzutreiben, die sich zwischen einem Zapfen 43 des Kolbens 37 und einer Kurbelwelle 45 spannt. Darüber hinaus schließt der Zylinderkopf 35 einen Ansaugtrakt 47, einen Abgastrakt 49 und eine Vorkammerkartusche 51 einer Turbulenzstrahl-Zündanlage ein. Eine Hauptverbrennungskammer 53 ist oberhalb des Hauptkolbens 37 teilweise innerhalb des Zylinderhohlraums 39 und des Zylinderkopfs 35, unmittelbar unterhalb der Turbulenzstrahl-Zündungskartusche 51, angeordnet. Der Zylinderkopf 35 schließt wahlweise abnehmbare Abdeckungen 55 ein, und Nockenwellen 57 sind drehbar innerhalb des Zylinderkopfs angeordnet. Obwohl die Nockenwelle in einigen Konfigurationen mit einem Zylinderblock angeordnet sein kann.
Unter Bezugnahme nun auf 4 und 10 schließt die Turbulenzstrahl-Zündungskartusche 51 einen Körper 61 und ein schalenförmiges und innen konkaves Vorkammergehäuse 63, das, in Kombination mit einer zylindrischen Nase 64, die mittig und koaxial davon vorspringt, innen eine(n) Vorverbrennungshohlraum oder -kammer 65 darin definiert, ein. Die Kartusche 51 weist ebenfalls einen seitlich vorspringenden Flansch 66 auf, der über mit Gewinde versehene Befestigungselemente, wahlweise Spannstifte, und eine seitlich verlängerte Stütze 69 oder durch andere Strukturen und Befestigungselemente an oberen Flächen des Zylinderkopfs 35 befestigt ist.
Mindestens eine und insbesondere drei bis zehn längliche Öffnungen 71 sind immer offen und verbinden die Nase 64 der Vorkammer 65 mit der Hauptverbrennungskammer 53. Jede Öffnung weist einen konstanten Durchmesser entlang eines primären röhrenförmigen Abschnitts 72 derselben auf. Jedoch weist mindestens eine Öffnung 71, die einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 73 am nächsten ist, einen vergrößerten und verjüngten Anschluss 75, vorzugsweise kegelstumpfförmig, an einem distalen Ende des primären Abschnitts 72 auf, der sich mit dem Hauptkolbenzylinder 53 verbindet. Vorzugsweise weisen die distalen Enden der anderen Öffnungen 71 den erweiterten Anschluss nicht auf, obwohl ein solcher Anschluss wahlweise für mehrere der Öffnungen eingeschlossen sein kann. In dem in 4 gezeigten Beispiel werden nur diagonal ausgerichtete Öffnungen 71 bereitgestellt, es ist alternativ jedoch vorgesehen, dass eine oder mehrere Mittellinienöffnungen in Abhängigkeit von der gewünschten Mischung von Kraftstoff und Luft für eine spezifische Motor- und Kraftstoffart eingeschlossen sein können.
Die Turbulenzstrahl-Zündungskartusche 51 schließt eine Zündvorrichtung 91, wie beispielsweise eine Zündkerze, Glühkerze oder dergleichen, ein. Die Zündvorrichtung 91 weist einen mittleren Abschnitt, der abnehmbar innerhalb einer länglichen Öffnung des Körpers 61 befestigt ist, und ein distales Ende, das innerhalb der Vorkammer 65 angeordnet ist, zum Bereitstellen eines Funkens oder einer anderen Wärmezündquelle für ein kraftstoffreiches Kraftstoff-Luft-Gemisch innerhalb der Vorkammer, auf. Ein wahlweiser Vorkammer-Druckaufnehmer oder -anzeiger kann Teil der Zündvorrichtung 91 oder durch das Vorkammergehäuse 63 in Verbindung sein. Es ist ebenfalls vorgesehen, dass eine wahlweise elektrische Widerstandsheizvorrichtung innen innerhalb der Vorkammer 65 oder stromaufwärts von einem Ventil 125 in der Kartusche 51 angeordnet sein kann.
Wie in 3 bis 5 und 10 zu beobachten ist, weist ein Vorkammer-Lufteinlassventil 111 einen mittleren Abschnitt auf, der innerhalb einer anderen länglichen Öffnung durch den Körper 61 der Kartusche 51 angeordnet ist, mit einem Luftventilsitz 115 an einem distalen Ende desselben, angeordnet innerhalb der Vorkammer 65. Darüber hinaus ist ein proximaler Endabschnitt des Lufteinlassventils 111 innerhalb eines im Allgemeinen zylindrischen Bundes 112 angeordnet, der integral von dem Körper 61 hochsteht. Das Lufteinlassventil 111 schließt eine schraubenförmig gewundene Feder und eine Befestigungskappe, welche die Feder an einem in Längsrichtung länglichen Schaft festhält, ein. Das Lufteinlassventil 111 ist vorzugsweise vom Tellerventiltyp, das durch einen Kipphebel 126 bewegt wird, der durch die Nockenwelle 57 bewegt wird, oder es kann alternativ durch einen hydraulischen, elektromagnetischen oder piezoelektrischen stellantrieb bewegt werden.
Das Vorkammer-Lufteinlassventil 111 ist getrennt von einem Hauptkolbenkammer-Lufteinlassventil 127, das als eine Tellerkonfiguration gezeigt wird. Außerdem ist ein nockengetriebenes Auslassventil 131 der Tellerart an einem entgegengesetzten unteren Abschnitt der Hauptkolbenkammer 53 angeordnet. Alternativ können beliebige der Tellerventile stattdessen Drehbolzen- oder Drehventile sein.
Eine Frischluftleitung 141 ist mit Hilfe eines Gewindeanschlussstücks außen mit einer oberen Fläche der Kartusche 51 verbunden. Ein oder mehrere Durchgänge innerhalb des Kartuschenkörpers leiten Frischluft von der Leitung 141 zu dem Vorkammer-Luftventil 111 weiter. Eine Kanalheizvorrichtung 147 ist angrenzend an die Leitung 141 angeordnet. Die Heizvorrichtung 147 kann eine vorrangig äußere Heizvorrichtung (wie gezeigt) oder eine vorrangig innere Heizvorrichtung sein. In einer Version ist vorgesehen, dass die Heizvorrichtung eine(n) oder mehrere elektrische Widerstandsdrähte oder -spulen einschließt, die in Kontakt mit davor vorspringenden Aluminium-Metallrippen oder -strukturen stehen und dieselben heizen, welche die Leitung 141 und/oder die Frischluft, die durch dieselbe strömt, berühren. Zum Beispiel ist, bei der inneren Heizvorrichtungsversion, ein offenzelliger Metallschaum, mit stark vernetzter Porosität und verschlungenen Bahnen, innerhalb des vergrößerten Zylinders koaxial mit der Leitung 141 ausgerichtet. Ein solcher Wärme übertragender Schaum wird in der US-Patentveröffentlichung Nr. 2005/0092181 mit dem Titel „Active Filtration of Airborne Contaminants Employing Heated Porous Resistance-Heated Filters (Aktive Filtration von luftgetragenen Verunreinigungen unter Einsatz erhitzter poröser widerstandsgeheizter Filter)“ an Shih et al. offenbart, die durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird. Die vorliegende Kombination von Vorkammer und Heizvorrichtung 147 erhitzt die ankommende Frischluft während des anfänglichen Motoranlassens und anfänglichen Warmlaufens; danach wird die Heizvorrichtung abgeschaltet. Alternativ kann eine gesonderte parallele Umgehungsluftleitung direkt zu dem Körper und dem Lufteinlassventil einspeisen, mit einem Luftstromventil, das in Abhängigkeit davon, ob Heizung gewünscht ist oder nicht, zwischen den zwei Luftleitungen umschaltet, wie automatisch durch ein programmierbares Vorkammer- oder Motorsteuergerät gesteuert. Alternativ kann die Heizvorrichtung Widerstandfolien innerhalb ihres Körpers oder der Luftleitung anstelle eines Drahtes oder einer Spule verwenden. Das vorliegende System von Heizvorrichtung und Vorkammer ist vorteilhafterweise leichter zu installieren, leichter einzubauen und effizienter und effektiver beim Erwärmen von Frischluft vor der Verbrennung als es eine Heizvorrichtung wäre, die nur mit dem Hauptkolbenzylinder verknüpft ist.
Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 73 weist eine längliche und im Allgemeinen zylindrische Spitze auf, die in einer seitlich offenen Bohrung in einer Seite des Hauptkolbenzylinders 53 angrenzend an das primäre Lufteinlassventil 127 angeordnet ist. Alternativ kann die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 73 anderswo in dem Kolbenzylinder außerhalb der Vorkammer angeordnet sein. Die Ausdehnungs- und Kraftstoff-Einspritzrichtung der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 73 ist im Allgemeinen senkrecht zu einer Mittellinienachse 78 der Vorkammer 65, wobei die Mittellinienachse koaxial mit einer Vorschub- und Rückzugsachse des Kolbens 37 ist. Alternativ kann die Richtung der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung innerhalb von 80 bis 110° von der Mittellinienachse der Vorkammer 65 versetzt sein. Es ist erwähnenswert, dass nur eine einzige Kraftstoff-Einspritzvorrichtung für jede Konfiguration von Kolbenzylinder 53 und Vorkammer 65 eingesetzt wird und dass keine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung innerhalb der Vorkammer 65 für die vorliegende Vorrichtung angeordnet ist. Folglich wird, falls der Motor ein Vierzylindermotor ist, eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung mit jedem der vier Kolbenzylinder verknüpft sein, wobei keine Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen direkt in einer der vier Vorkammern angeordnet sein oder direkt in dieselben einspritzen wird.
Die Kartusche 51 wird vorzugsweise unabhängig von dem Zylinderkopf 35 gefertigt. Ein Äußeres der Kartusche wird aus Aluminium oder Stahl gespant, wobei die Durchgänge innen in derselben gespant werden. Danach wird der Körper der Kartusche ofenhartgelötet oder diffusionsgeschweißt, falls der Körper als zwei gesonderte Teile gegossen oder gespant wird. Alternativ können der Kartuschenkörper und/oder die Vorkammer aus einer Keramik oder einem anderen Material mit niedrigem Wärmeleitvermögen hergestellt werden. Eine verjüngte und ringförmige Dichtung, vorzugsweise aus Kupfer hergestellt, berührt innen die Vorkammer und dichtet zwischen ihr und der Gewindeverbindung des unteren Endes des Körpers ab, wenn die zusammengeschraubt werden. Die Zündvorrichtung und das Luftventil werden danach an den Körper montiert, wie beispielsweise durch Einschrauben der Bauteile oder auf andere Weise befestigt.
Die Funktionsweise der vorliegenden Vorrichtung wird nun unter Bezugnahme auf 4 bis 9 erörtert werden. Das Vorkammer-Lufteinlassventil 111 dient vorteilhafterweise einem zweifachen synergistischen Zweck: Luft in die Vorkammer zur Verbrennung in derselben zuzuführen und ebenfalls einen zusätzlichen Luftstrom in die Vorkammer vor und/oder nach der Verbrennung bereitzustellen, um Verbrennungsreste abzuführen. Folglich ist, am Beginn eines Zyklus, wenn sich die zugehörige Kurbelwelle in ihren Rotationspositionen von 0 bis 180° OT befindet, der Vorkammer-Luftventilsitz 115 offen, um zu ermöglichen, dass Frischluft 149 jegliche restlichen Verbrennungsteilchen, die von dem vorhergehenden Zyklus in der Vorkammer 65 verbleiben, heraustreibt und abführt. Dies bewirkt einen größeren Luftdruck in der Vorkammer als in der Hauptverbrennungskammer 53, da sich der Kolben 37 gleichzeitig weg von der Vorkammer 65 vorschiebt. Gleich danach, wie in 4 und 5 zu sehen ist, wenn sich die zugehörige Kurbelwelle in ihren Rotationspositionen von 60 bis 200° OT befindet, gibt die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 73 einen ersten Sprühstoß von flüssigem Kraftstoff 151 in einer Richtung, im Allgemeinen senkrecht oder innerhalb von 80 bis 100° zu der Mittellinienachse 78 von Vorkammer und Kolben ab (siehe 2). Gleichzeitig ist das Hauptluftventil 127 offen, um zu ermöglichen, dass ankommende Luft 153 in die Hauptverbrennungskammer 53 eintritt und beim Vermischen des eingespritzten Kraftstoffs 151 außerhalb der Vorkammer unterstützt. Während dieses Betriebszeitraums ist der Luftdruck innerhalb der Vorkammer 65 größer als der Druck innerhalb der Hauptverbrennungskammer 53, wodurch im Wesentlichen verhindert wird, dass der Kraftstoff in die Öffnungen 71 eintritt.
6 und 7 200 bis 235° OT, wenn die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 73 deaktiviert und ausgeschaltet ist und sich der Kolben 37 in seiner Rückzugs- und Verdichtungsbewegung hin zu der Vorkammer 65 befindet. Das Hauptluftventil 127 ist in diesem Betriebspositionsbereich geschlossen. Dies bewirkt, dass der Kraftstoff 151 in die Vorkammer 65 eintritt, da die Kolbenverdichtung einen größeren Druck in der Hauptverbrennungskammer 53, als in dem Vorkammerhohlraum vorhanden ist, erzeugt, selbst wenn Frischluft von dem Luftventil 111 in die Vorkammer 65 eintritt. Die Luft und der Kraftstoff verwirbeln und vermischen sich in diesem Betriebszustand turbulent innerhalb der Vorkammer.
Als Nächstes zeigt 8 einen Positionsbereich von 240 bis 320° OT, wobei die beiden Luftventile 111 und 127 geschlossen sind und der Kolben seinen Verdichtungsrückzug fortsetzt. Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 73 gibt nun einen zweiten Nebel oder Sprühstoß von flüssigem Kraftstoff 151 hin zu der Längsmittellinie zwischen der Vorkammer 65 und der Hauptverbrennungskammer 53 ab. Diese zweite Kraftstoffmenge von 8 ist geringer als die erste Kraftstoffmenge in 4 und 5. Diese zweite Abgabe von Kraftstoff bewirkt, dass ein fettes Gemisch von Kraftstoff und Luft durch die Öffnungen 71 in die Vorkammer eintritt und sich mit Luft und Kraftstoff vermischt, die sich bereits in der Hauptverbrennungskammer 53 befinden.
Anschließend ist 9 eine Position von 345 bis 350° OT, wenn die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung deaktiviert ist, die Luftventile geschlossen sind und die Zündvorrichtung 91 in der Vorkammer 65 aktiviert wird. Dies bewirkt eine Zündung und Verbrennung des Kraftstoffs 151 innerhalb der Vorkammer 65. Ihrerseits wird diese Vorverbrennung 155 über die Öffnungen 71 nach außen von der Vorkammer zu der Hauptverbrennungskammer 53 abgegeben, was den Kraftstoff 151, der sich innerhalb des Hauptkolbenzylinders befindet, vollständig zündet. Die Hauptverbrennung, die in der Hauptverbrennungskammer 53 stattfindet, dient dazu, den Kolben weg von der Vorkammer vorzuschieben.
11 illustriert graphisch die Zeitsteuerung, die mit zwei Versionen der vorliegenden Vorrichtung eingesetzt wird. Eine erste Version 201 der Kraftstoffeinspritzung (gezeigt als durchgehende Linien in der oberen Hälfte) schaltet die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung für einen fortgesetzten ausgedehnten Zeitraum für die erste Abgabe ein. Danach wird die Kraftstoffeinspritzung ausgeschaltet. Danach wird die gleiche Kraftstoff-Einspritzvorrichtung wieder eingeschaltet für eine zweite Abgabe von Kraftstoff für einen viel kürzeren Zeitraum, nachdem zum Zeitpunkt 205 der Druck in der Hauptverbrennungskammer den Druck in der Vorkammer überschreitet. Der Vorkammerdruck wird durch eine Linie 207 angezeigt, und der Hauptverbrennungskammerdruck wird durch eine Linie 209 in dem unteren Abschnitt der graphischen Darstellung angezeigt; P_atm ist der atmosphärische Druck. Danach findet am Punkt 211 eine Zündung in der Vorkammer statt, und eine Hauptverbrennung, verursacht durch die Vorverbrennungsteilchen, die über die Öffnungen von der Vorkammer zu der Hauptkammer strömen, findet gleich danach am Punkt 213 statt.
Die zweite Variation wird in gestrichelten Linien als 203 gezeigt. In dieser Konfiguration ist die anfängliche erste Kraftstoffabgabe tatsächlich eine Reihe von mehreren und schnellen anfänglichen Ein- und Aus-Kraftstoffabgaben, während der Druck innerhalb der Vorkammer den Hauptverbrennungskammerdruck überschreitet. Diese Herangehensweise ermöglicht, dass sowohl die erste Reihe von Kraftstoffabgaben als auch die spätere einzelne Kraftstoffabgabe nach dem Punkt 205 im Allgemeinen dien gleichen Mengen haben, aber insgesamt gemeinsam eine bedeutend größere Gesamtmenge und -zeit vor dem Punkt 205 bereitstellen als im Vergleich zu danach.
Die vorliegende können für entweder Benzin, gasförmigen oder schweren Dieselkraftstoff verwendet werden. Nichtsdestotrotz ist zu erwarten, dass Dieselkraftstoff ideal für diese externe Kraftstoffeinspritzung zurück in die Vorkammer geeignet ist, da ein Nebel des Dieselkraftstoffs feiner ist und eine kleinere Tröpfchengröße aufweist, verglichen mit Benzin. Daher wird der feinere Dieselnebel vollständiger aus dem Hauptkolbenzylinder zurück in die Vorkammer getrieben und in der Vorkammer gründlicher mit der Frischluft von dem Vorkammer-Luftventil vermischt werden.
Während verschiedene Merkmale der vorliegenden Erfindung offenbart worden sind, sollte zu erkennen sein, dass andere Variationen eingesetzt werden können. Zum Beispiel können unterschiedliche Luftventil-Stellantriebskonfigurationen und -positionen eingesetzt werden, obwohl verschiedene Vorzüge des vorliegenden Systems nicht verwirklicht werden können. Als ein anderes Beispiel kann die Kartusche eine andere Form als die illustrierte aufweisen, aber bestimmte Vorteile können nicht erreicht werden. Außerdem können alternative Formen, Mengen und Winkel der Durchgänge, Leitungen, Öffnungen, Anschlüsse und Löcher in der Kartusche bereitgestellt werden, obwohl einige Vorzüge nicht erreicht werden können. Alternativ können Variationen bei dem Kraftstoff-Luft-Gemisch und der Zeitsteuerung der Kraftstoffeinspritzung verwendet werden, aber die Leistung kann leiden. Darüber hinaus können, während die vorliegend illustrierte Kartuschen- und Vorkammerkonstruktion am besten für einen Motor mit obenliegender Nockenwelle geeignet ist, unterschiedlich geformte und bemessene Kartuschen und Vorkammern für unterschiedlich konfigurierte Motoren, wie beispielsweise für einen Motor mit innenliegender Nockenwelle, eingesetzt werden. Variationen sind nicht als eine Abweichung von der vorliegenden Offenbarung zu betrachten, und es ist beabsichtigt, dass alle solchen Modifikationen innerhalb des Rahmens und der Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung eingeschlossen sind.
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

US 10161296 [0003]
WO 2019/027800 [0003]
US 2005/0092181 [0012]

Claims

Motorvorrichtung, die Folgendes umfasst: (a) eine Vorkammer, die einen Vorverbrennungshohlraum und mindestens eine Verbrennungsaustrittsöffnung einschließt, (b) eine Zündvorrichtung, die ein distales Ende in dem Vorverbrennungshohlraum oder direkt zu demselben zugänglich aufweist, (c) ein Vorkammer-Lufteinlassventil, das einen Abschnitt aufweist, der in dem Vorverbrennungshohlraum oder angrenzend an denselben angeordnet ist, (d) einen Hauptkolbenzylinder, der eine Hauptverbrennungskammer einschließt, (e) eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, die außerhalb des Vorverbrennungshohlraums angeordnet ist, wobei die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung eine Einspritzspitze einschließt, die in der Hauptverbrennungskammer angeordnet ist, und die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung von der Vorkammer weg beabstandet ist, (f) wobei die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung wirksam eine erste Menge an flüssigem Kraftstoff in die Hauptverbrennungskammer abgibt, die in die mindestens eine Öffnung getrieben wird, zur anschließenden Vorverbrennung durch die Zündvorrichtung innerhalb des Vorkammerhohlraums, wobei die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung die einzige Quelle des flüssigen Kraftstoffs in den Vorkammerhohlraum ist, und (g) wobei die gleiche Kraftstoff-Einspritzvorrichtung eine zweite Menge des flüssigen Kraftstoffs in die Hauptverbrennungskammer abgibt, die geringer ist als die erste Menge des flüssigen Kraftstoffs, zur Verbrennung in der Hauptverbrennungskammer, und zumindest die zweite Menge des flüssigen Kraftstoffs durch die Vorverbrennung gezündet wird, die in dem Vorkammerhohlraum stattfindet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorkammer Teil einer Kartusche ist, die Zündvorrichtung, das Vorkammer-Lufteinlassventil und der Vorkammerhohlraum an einen Körper der Kartusche vormontiert sind und die vormontierte Kartusche anschließend abnehmbar an einem Motorzylinderkopf angebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Kartusche keine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung aufweist, die an derselben angebracht ist, und der Kraftstoff nicht direkt in den Vorkammerhohlraum eingespritzt wird, außer indirekt durch die mindestens eine Öffnung.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Öffnung einen länglichen Abschnitt mit einem gleichmäßig kreisförmigen Innendurchmesser und einem vergrößerten Anschluss an einem Ende der Öffnung umfasst, wobei der Anschluss eine erweiterte innere Abmessung, größer als der längliche Abschnitt, aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei eine Innenfläche des Anschlusses kegelstumpfförmig und hin zu der Hauptverbrennungskammer erweitert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei nur eine von mehreren Öffnungen, die sich von der Vorkammer zu der Hauptverbrennungskammer erstrecken, den vergrößerten Anschluss aufweist und die Öffnung mit dem Anschluss am nächsten zu der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Menge an Kraftstoff 3 bis 15 % der ersten Menge an Kraftstoff beträgt, die erste Menge an Kraftstoff vor einem Umschaltpunkt eingespritzt wird, wenn der Druck innerhalb der Hauptverbrennungskammer davon, dass er geringer ist als der Druck innerhalb der Vorkammer, dazu, dass er denselben überschreitet, wechselt, und die zweite Menge an Kraftstoff nach dem Umschaltpunkt eingespritzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Vorkammer-Lufteinlassventil nach dem Verbrennungsteil eines Zyklus in demselben Frischluft in den Vorkammerhohlraum abgibt, um, während jedes Zyklus, Verbrennungsteilchen in dem Vorkammerhohlraum abzuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei: die erste Menge an Kraftstoff für einen größeren Zeitraum abgegeben wird als für die zweite Menge an Kraftstoff und ein Kraftstoff-Luft-Gemisch innerhalb der Vorkammer vor der Zündung kraftstoffreich ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner Folgendes umfasst: einen Kolben, der sich entlang einer Längsachse innerhalb des Hauptkolbenzylinders linear vorschiebt und zurückzieht, wobei die Vorkammer eine konkav gekrümmte Schale und eine zylindrische Nase, die sich mittig von derselben aus hin zu dem Kolben erstreckt und koaxial mit der Längsachse des Kolbens ist, umfasst, wobei ein größter seitlicher Innendurchmesser der Vorkammerschale größer ist als ein Innendurchmesser der Nase und die mindestens eine Öffnung mindestens vier der Öffnungen einschließt, die sich durch die Nase erstrecken.
Motorvorrichtung, die Folgendes umfasst: (a) eine vormontierte Kartusche, die Folgendes umfasst: i. einen Körper, der Öffnungen in demselben einschließt, ii. eine Vorkammer, die an den Körper gekoppelt ist, wobei die Vorkammer einen Vorverbrennungshohlraum und mindestens eine Verbrennungsaustrittsöffnung einschließt, iii. eine Zündvorrichtung, die in einer ersten der Körperöffnungen angeordnet ist, iv. ein Lufteinlassventil, das in einer dritten der Körperöffnungen angeordnet ist, (b) einen Kolbenzylinder, (c) einen Kolben, der sich entlang einer Längsachse innerhalb des Hauptkolbenzylinders linear vorschiebt und zurückzieht, (d) eine einzige Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, die mit dem Hauptkolbenzylinder verknüpft ist, wobei sie außerhalb des Vorverbrennungshohlraums angeordnet ist, wobei die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung eine Einspritzspitze einschließt, die in dem Hauptkolbenzylinder angeordnet ist, (e) ein Haupt-Lufteinlassventil, das mit einem Lufteinlass in dem Hauptkolbenzylinder verknüpft ist, außerhalb der Vorkammer, und (f) wobei die Vorkammer eine konkav gekrümmte Schale, die koaxial mit der Längsachse des Kolbens ist, umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Vorkammer Teil einer Kartusche ist, die Zündvorrichtung, das Vorkammer-Lufteinlassventil und der Vorkammerhohlraum an einen Körper der Kartusche vormontiert sind und die vormontierte Kartusche anschließend abnehmbar an einem Motorzylinderkopf angebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Kartusche keine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung aufweist, die an derselben angebracht ist, und der Kraftstoff nicht direkt in den Vorkammerhohlraum eingespritzt wird, außer indirekt durch die mindestens eine Öffnung.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei: (a) die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung wirksam eine erste Menge an flüssigem Kraftstoff in den Hauptkolbenzylinder abgibt, die in einer Hauptverbrennungskammer homogen gemischt wird, und während späterer Kompressionsstadien etwas von der ersten Menge an flüssigem Kraftstoff in den Vorkammerhohlraum komprimiert wird, (b) die gleiche Kraftstoff-Einspritzvorrichtung eine spätere Menge des flüssigen Kraftstoffs in den Hauptkolbenzylinder abgibt, die geringer ist als die erste Menge des flüssigen Kraftstoffs, zur Verbrennung, um ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem Vorkammerhohlraum anzureichern, und (c) die spätere Menge des flüssigen Kraftstoffs durch die Vorverbrennung gezündet wird, die in dem Vorkammerhohlraum stattfindet.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die spätere Menge an Kraftstoff 3 bis 15 % der ersten Menge an Kraftstoff beträgt, die vor diesem Zeitpunkt eingespritzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die mindestens eine Öffnung einen länglichen Abschnitt mit einem gleichmäßig kreisförmigen Innendurchmesser und einem vergrößerten Anschluss an einem Ende der Öffnung umfasst, wobei der Anschluss eine erweiterte innere Abmessung, größer als der längliche Abschnitt, aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei: (a) das Vorkammer-Lufteinlassventil nach einem Auslasshub in demselben Frischluft in den Vorkammerhohlraum abgibt, um, während jedes Zyklus, Verbrennungsteilchen in dem Vorkammerhohlraum abzuführen, und (b) eine zweite Menge an Kraftstoff 3 bis 15 % einer ersten Menge an Kraftstoff beträgt, die erste Menge an Kraftstoff vor einem Umschaltpunkt eingespritzt wird, wenn der Druck innerhalb eines Hauptverbrennungshohlraums davon, dass er geringer ist als der Druck innerhalb des Vorkammerhohlraums, dazu, dass er denselben überschreitet, wechselt, und die zweite Menge an Kraftstoff nach dem Umschaltpunkt eingespritzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11, die ferner Folgendes umfasst: einen Motorzylinderkopf, Nockenwellen, wobei die Kartusche abnehmbar in einer Kehle des Motorzylinderkopfs zwischen den Nockenwellen angebracht ist, die um parallele Achsen drehbar sind, wobei die Achsen im Wesentlichen senkrecht zu der Längsmittelline der Vorkammer sind, wobei eine Abgabe einer ersten Menge des flüssigen Kraftstoffs durch die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung zur Verwendung in der Hauptkammer für einen größeren Zeitraum erfolgt als für eine Abgabe einer letzten Menge des flüssigen Kraftstoffs durch die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung zur Verwendung, um die Vorkammer anzureichern, und wobei ein Kraftstoff-Luft-Gemisch innerhalb der Vorkammer vor der Zündung kraftstoffreich ist.
Verfahren zur Verwendung eines Fahrzeugmotors, das Folgendes umfasst: (a) Einspritzen einer ersten Menge an Kraftstoff aus einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung in eine Hauptverbrennungskammer, zwischen einer Stirnfläche eines Kolbens und einer Vorkammer, während sich der Kolben weg von der Vorkammer vorschiebt und während ein Vorkammer-Luftventil Luft direkt in die Vorkammer strömen lässt, (b) Treiben von zumindest etwas von der ersten Menge des Kraftstoffs von der Hauptverbrennungskammer zu der Vorkammer, während sich der Kolben hin zu der Vorkammer zurückzieht, nach Schritt (a), (c) Einspritzen einer späteren Menge an Kraftstoff aus der gleichen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung in die Hauptverbrennungskammer, während sich der Kolben hin zu der Vorkammer zurückzieht und während das Vorkammer-Luftventil und ein Hauptluftventil geschlossen sind, nach Schritt (b), und (d) Zünden des Kraftstoffs in der Vorkammer, was anschließend eine Verbrennung des Kraftstoffs in der Hauptverbrennungskammer verursacht, nach Schritt (c).
Verfahren nach Anspruch 19, das ferner Folgendes umfasst: (a) Abführen von Verbrennungsteilchen von der Vorkammer zu der Hauptverbrennungskammer auf Grund dessen, dass das Vorkammer-Luftventil die Luft direkt in die Vorkammer strömen lässt, (b) wobei das Zünden des Kraftstoffs in der Vorkammer durch eine Zündvorrichtung verursacht wird, die eine Spitze aufweist, die innerhalb einer gekrümmten Schale der Vorkammer angeordnet ist, (c) wobei die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung den Kraftstoff hin zu einer Mittellinienachse der Vorkammer und des Kolbens und in einer Richtung, die innerhalb von 80 bis 120° von der Mittellinienachse versetzt ist, abgibt, (d) wobei sich die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung außerhalb der Vorkammer befindet, wobei ein Haupt-Ansaugluftventil zwischen einem Kraftstoff abgebenden Ende der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung und der Vorkammer angeordnet ist, und (e) das Einspritzen der späteren Menge des Kraftstoffs bei 15 % oder weniger des Einspritzens der ersten Menge des Kraftstoffs liegt.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei: (a) das Einspritzen der ersten Menge des Kraftstoffs eine Reihe von schnellen Einspritzungen des Kraftstoffs umfasst, die stattfinden, während ein Druck innerhalb der Vorkammer einen Druck innerhalb der Hauptverbrennungskammer überschreitet, und (b) das Einspritzen der späteren Menge des Kraftstoffs stattfindet, während der Druck innerhalb der Hauptverbrennungskammer einen Druck innerhalb der Vorkammer überschreitet.