DE19741566A1 - Hubkolbenmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hubkolbenmotor für wahlweisen Betrieb mit flüssigem oder gasförmigem Kraftstoff mit wenigstens einer Hauptbrennkammer, der wenigstens ein Einlaß für Gas und/oder Luft, eine Einspritzeinrichtung und ein Auslaß zugeordnet ist, wobei mit jeder Hauptbrennkammer mindestens je eine Vorkammer über mindestens einen in diese Hauptbrennkammer mündenden Ausgang verbunden ist und wobei jede Vorkammer eine Einrichtung zum Zünden ihrer Füllung bei Gasbetrieb aufweist.

Bei einem bekannten, gattungsgemäßen Hubkolbenmotor ist die Hauptbrennkammer wahlweise entweder im Gasbetrieb über eine Zuleitung mit einem Gas-Luft-Gemisch oder im Dieselbetrieb über eine Zuleitung mit Luft und über eine Einspritzeinrichtung mit flüssigem Kraftstoff beaufschlagbar. Dabei wird im Gasbetrieb in eine in die Hauptbrennkammer mündende Vorkammer ein Zündöl eingespritzt, das bei Verdichtung des Inhalts der Hauptbrennkammer und damit auch des Inhalts der mit ihr verbundenen Vorkammer bei einem aufwärtsgerichteten Kolbenhub gezündet wird und dabei in die Hauptbrennkammer austritt, wo es das dort befindliche Gas zündet. Das in der Hauptbrennkammer befindliche Gas ist ohne in einer Vorkammer gezündetes Zündöl durch Selbstzündung nicht und durch Fremdzündung im Hauptbrennraum nur schlecht zündbar. Bei Zündung des Gases mit Zündöl treten jedoch aufgrund des Zündöls unbefriedigende, bzw. an einigen Standorten unerlaubte NO_x-Konzentrationen auf. Außerdem muß auch dann, wenn Gasbetrieb vorgesehen ist, stets Zündöl zur Zündung bereitgehalten werden. Desweiteren muß die Zündkerze in der Vorkammer auch im Dieselbetrieb mitlaufen, damit sie sich nicht zusetzt.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, mit möglichst einfachen und kostengünstigen Mitteln einen gattungsgemäßen Hubkolbenmotor unter Vermeidung seiner Nachteile dahingehend zu verbessern, daß eine verminderte NO_x-Konzentration im Abgas auftritt.

Diese Aufgabe wird überraschend einfach dadurch gelöst, daß die Einrichtung zum Zünden bei Gasbetrieb eine elektrische Fremdzündeinrichtung ist, und daß die Vorkammer über eine Gasleitung mit Gas beaufschlagbar ist.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung tritt das während des Ansaugtakts in die Hauptbrennkammer eingeführte Gas-Luft-Ge­ misch auch in die Vorkammer ein, in welcher es über eine zusätzliche Gasleitung zur Gemischanfettung zusätzlich mit Gas beaufschlagt wird. Die Füllung der Vorkammer wird durch die elektrische Fremdzündeinrichtung gezündet, und das gezündete Gas-Luft-Gemisch tritt in das in der Hauptbrennkammer befindliche Gas-Luft-Gemisch ein. Dadurch wird das Gas in der Hauptbrennkammer gezündet. Zündöl ist hier nicht erforderlich. Deshalb muß kein Zündöl bevorratet werden, wenn der Motor im Gasbetrieb benutzt wird. Auch ist keine eigene Einspritzanlage für Zündöl erforderlich. Die NO_x-Werte sind günstiger als bei mit Zündöl zündenden Anordnungen.

Das Prinzip der Fremdzündung von Diesel/Gas-Motoren im Gasbetrieb wurde bereits auf dem 21. Internationalen Kongreß für Verbrennungsmotoren der CIMAC (Conseil international des maschines a combustion) vorgeschlagen. Die anläßlich dieses Kongresses herausgegebene Veröffentlichung zeigt jedoch eine Fremdzündung des Gas-Luft-Gemisches in der Hauptbrennkammer, was eine Zündung magerer Gemische mit einem Luft-Verhältnis von mehr als 1,7 nicht erlaubt. Somit können mit dieser Anordnung auch die bei der erfindungsgemäßen Anordnung durch Luft-Ver­ hältnisse von mehr als 1,7 erzielten sehr günstigen Abgaswerte, insbesondere NO_x-Werte nicht erreicht werden. Vielmehr arbeitet der in der Veröffentlichung beschriebene Motor mit stöchiometrischem Kraftstoff-Luft-Verhältnis, während der erfindungsgemäße Diesel/Gas-Motor im lean-burn-Verfahren betrieben werden kann. Deshalb wird der in der Veröffentlichung beschriebene Motor mit einem 3-Wege-Katalysator versehen, um akzeptable Abgaswerte zu erzielen.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. So münden nach einer bevorzugten Ausführung in eine Hauptbrennkammer mehrere Vorkammer-Aus­ gänge. Hierdurch wird das in der Hauptbrennkammer befindliche Gas-Luft-Gemisch in mehreren Bereichen und damit sehr gleichmäßig gezündet, wodurch die Abgas-Werte optimiert werden.

Dabei sind zweckmäßig mehrere Vorkammern vorgesehen. Bei dieser Anordnung ist das Gas in den Vorkammern von einer Motorsteuerung zum geeigneten Zeitpunkt unabhängig ansteuerbar. Ebenfalls kostengünstig ist die Ausbildung mit einer Vorkammer mit mehreren Vorkammer-Ausgängen, die in die Hauptbrennkammer münden.

Die Vorkammerausgänge sind vorzugsweise flächenmäßig etwa gleichmäßig über den Querschnitt der Hauptbrennkammer verteilt, was eine relativ gleichmäßige Verteilung des vorgezündeten Gases in der Hauptbrennkammer und damit eine relativ gleichmäßige Zündung in der Hauptbrennkammer ermöglicht, wodurch die Abgaswerte weiter verbessert werden.

Das Luft-Verhältnis in der Hauptbrennkammer ist vorzugsweise größer als oder gleich etwa 1,7, da dies einen "lean-burn"-Betrieb mit sehr magerem Gemisch und damit sehr niedrige Stickoxydkonzentrationen im Abgas ermöglicht.

Das Luft-Gas-Gemisch-Verhältnis in den Vorkammern ist zweckmäßig kleiner als etwa 1,7, um eine zuverlässige Zündung der Füllung der Vorkammer zu ermöglichen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung.

Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Hubkolbenmotors mit einer Vorkammer, die eine Gaszuleitung und eine elektrische Zündeinrichtung aufweist und

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Hubkolbenmotors mit mehreren einer Hauptbrennkammer zugeordneten Vorkammern.

Fig. 1 zeigt einen Zylinder eines erfindungsgemäßen Hubkolbenmotors, der auch mehrere Zylinder aufweisen kann. In der Zylinderbuchse 1 läuft ein Kolben 2, der von einem Pleuel 3 ausgelenkt wird.

Der dargestellte Motor kann wahlweise mit Gas oder mit flüssigem Kraftstoff, insbesondere Diesel, betrieben werden.

Im Dieselbetrieb wird flüssiger Kraftstoff über eine Diesel-Zuleitung 4 einer Einspritzeinrichtung 5 zugeführt, von welcher der Diesel in die Hauptbrennkammer 6 eingespritzt wird. Über den ein Gasventil 7 aufweisenden Einlaß 8 wird im Dieselbetrieb Luft zugeführt. Das Diesel-Luft-Gemisch wird bei einer Aufwärtsbewegung des Kolbens 2 durch Selbstzündung gezündet und verbrannt. Die Abgase werden über einen durch ein Ventil verschließbaren Ausgang 9 aus der Hauptbrennkammer 6 herausgepreßt.

Im Gasbetrieb wird bei geöffnetem Gasventil 7 am Einlaß 8 für Gas und/oder Luft ein Gemisch aus dem zu verbrennenden Gas und Luft im Ansaugtakt in die Hauptbrennkammer 6 eingeführt. Dieses Gas- Luft-Gemisch verteilt sich in der Hauptbrennkammer 6 und der über den Vorkammerausgang 10 mit der Hauptbrennkammer 6 verbundenen Vorkammer 11. In die Vorkammer 11 mündet eine Gasleitung 12. Durch diese ist das Gas-Luft-Gemisch der Vorkammer 11 zur Gemischanfettung mit zusätzlichem Gas beaufschlagbar. Das über die Gasleitung 12 in die Vorkammer 11 einbringbare Gas kann insbesondere-reines Gas oder ein Gas-Luft-Ge­ misch mit niedrigerem Luftanteil als das über den Einlaß 8 für Gas und/oder Luft eingeführte Gas-Luft-Gemisch sein. Die durch Anreicherung mit weiterem Gas relativ fette Füllung der Vorkammer 11 ist ohne Zündöl fremdzündbar. Hierfür ist in der Vorkammer 11 eine Fremdzündeinrichtung 13 in Form einer Zündkerze vorgesehen. Sie ist von einer Motorsteuerung aus ansteuerbar und erlaubt damit präzise Wahl des Zündzeitpunktes.

Das durch die Fremdzündeinrichtung 13 gezündete, fette Gemisch in der Vorkammer 11 tritt aus der Vorkammer 11 heraus in das in der Hauptbrennkammer 6 befindliche Gas-Luft-Gemisch ein und zündet dieses. Das in der Hauptbrennkammer 6 befindliche Gemisch wird bei der erfindungsgemäßen Zündung mit in der Vorkammer 11 gezündetem fetten Gas auch dann gezündet, wenn das Hauptbrennkammergas-Luft-Gemisch relativ mager ist. Somit kann das Luft-Verhältnis in der Hauptbrennkammer größer als 1.7, gemäß Versuchen auch größer als 2 sein. Durch die Verbrennung von magerem Gemisch ergeben sich im Abgas des Diesel/Gas- Motors sehr gute Abgaswerte, insbesondere sehr niedrige NO_x-Werte.

Um eine zuverlässige Zündung des Gases in der Vorkammer 11 zu gewährleisten, wird zweckmäßig über die Gasleitung 12 die Füllung der Vorkammer 11 angereichert und zwar zweckmäßig bis zu einem Luft-Verhältnis von weniger als 1,7.

Die Verbrennung des Gas-Luft-Gemisches in der Hauptbrennkammer 6 kann dadurch deutlich verbessert werden, daß mehrere Vorkammer-Ausgänge 10 vorgesehen sind. Hierfür kann eine Vorkammer mit mehreren in die Hauptbrennkammer mündenden Ausgängen vorgesehen sein, die zur Optimierung etwa gleichmäßig über die Querschnittsfläche der Hauptbrennkammer 6 verteilt sein können.

Auch können gemäß Fig. 2 mehrere Vorkammern 11a, 11b, 11c vorgesehen sein. Diese weisen im dargestellten Beispiel jeweils nur einen Ausgang 9 auf. Die Verwendung mehrerer Vorkammern 11 erlaubt die individuelle Ansteuerung des Zündpunktes in jeder Vorkammer 11.

Claims (7)

1. Hubkolbenmotor für wahlweisen Betrieb mit flüssigem oder gasförmigem Kraftstoff mit wenigstens einer Hauptbrennkammer (6), der wenigstens ein Einlaß (8) für Gas und/oder Luft, eine Einspritzeinrichtung (5) und ein Auslaß (9) zugeordnet sind, wobei mit jeder Hauptbrennkammer (6) mindestens je eine Vorkammer (11) über mindestens einen in diese Hauptbrennkammer (6) mündenden Ausgang (10) verbunden ist und wobei jede Vorkammer (11) eine Einrichtung zum Zünden ihrer Füllung bei Gasbetrieb aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Zünden bei Gasbetrieb eine Fremdzündeinrichtung (13) ist, und daß die Vorkammer (11) über eine Gasleitung (12) mit Gas beaufschlagbar ist.

2. Hubkolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in eine Hauptbrennkammer (6) mehrere Vorkammer-Ausgänge münden.

3. Hubkolbenmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Vorkammern (11a, b, c) vorgesehen sind.

4. Hubkolbenmotor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkammer-Ausgänge (10) flächenmäßig etwa gleichmäßig über den Querschnitt der Hauptbrennkammer (6) verteilt sind.

5. Hubkolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Luft-Verhältnis in der Hauptbrennkammer größer oder gleich etwa 1,7 ist.

6. Hubkolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Luft-Verhältnis in den Vorkammern (11) kleiner etwa 1,7 ist.

7. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine elektrische Fremdzündeinrichtung (13).