DE19857071A1 - Verbrennungsmotor - Google Patents

Verbrennungsmotor

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Zylinder (1) und wenigstens einem Kolben (3), der in einer Zylinderkammer (3) hin und her verschiebbar gelagert ist und einen Brennraum (7) in der Zylinderkammer (3) begrenzt. Um im Funktionsbetrieb die NOx-Bildung zu verringern, ist im Brennraum (7) eine Thermomasse (14) aus temperaturfestem Material fest angeordnet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Im Funktionsbetrieb eines Verbrennungsmotors wird im Brennraum ein brennfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch gebildet, das durch Fremdzündung (Ottomotor) oder durch Eigenzündung (Dieselmotor) gezündet werden kann. Während der Verbrennung im Brennraum bilden sich fortschreitende Flammfronten aus, in deren Bereich Temperaturen von < 2000 K auftreten. Insbesondere oberhalb dieser Temperaturschwelle nimmt die NO-Bildung während der Verbrennung erheblich zu, was zu einem hohen NO-Anteil und somit zu einem hohen Schadstoff-Anteil im Abgas führt.
Bekannte Maßnahmen, das globale Temperaturniveau und damit die NO- Bildungsgeschwindigkeit soweit zu senken, daß die NO-Bildung im Bereich der Flammfront unterdrückt wird, sind z. B. Abgasrückführung oder Wassereinspritzung. Diese Maßnahmen sind aufwendig und teuer. Für eine Wassereinspritzung ist es erforderlich, das Wasser im Fahrzeug mitzuführen und für jedes Arbeitsspiel des Kolbens dosiert zuzuführen. Letzteres gilt auch für eine Abgasrückführung, wobei die zurückzuführende Abgasmenge dem Abgasstrom zu entnehmen ist. In beiden Fällen sind die vorbeschriebenen Maßnahmen mit einem großen Aufwand und hohen Kosten verbunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor der eingangs angegebenen Art so auszugestalten, daß die NOx-Bildung verringert wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine erfindungsgemäße, im Brennraum fest angeordnete Thermomasse der vorbeistreichenden Flammfront eine zu einer Temperatursenkung erforderliche Energiemenge entzieht und diese wieder an das ausströmende Abgas oder an die beim nächsten Arbeitstakt angesaugte Frischluft abgibt. Hierdurch erhält der globale Temperaturverlauf im Kreisprozeß einen insgesamt etwas geringeren Hub, wobei die mittlere Temperatur leicht ansteigen kann. Wesentlich ist, daß die lokalen Temperaturspitzen sich wesentlich absenken lassen. Die erfindungsgemäße Thermomasse führt somit zu einer Erhöhung der thermischen Trägheit im Brennraum.
Dies wird begünstigt, wenn die Thermomasse großräumig verteilt angeordnet ist, wodurch die Temperaturspitzen, die die Bildungsgeschwindigkeit von NOx vergrößern, gesenkt werden können. Aufgrund des Fehlens dieser Temperaturspitzen werden geringere NOx-Anteile im Abgas erreicht. Dabei ergibt sich ein beruhigter und gleichmäßigerer globaler Temperaturverlauf im Kreisprozeß, da die Körperanordnung es ermöglicht, nicht nur die Temperaturspitzen zu nehmen, sondern auch die Temperaturen im Brennraum zu vergleichmäßigen, wodurch die Verbrennung verbessert wird, was ganz allgemein wiederum zu einer Verringerung der Schadstoffmengen im Abgas führt.
Es ist von Vorteil, wenn das Material der Körperanordnung eine hohe Dichte und eine hohe spezifische Wärmekapazität aufweist, wobei es auch eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen kann. Als Materialien für die Körperanordnung eignet sich Metall, insbesondere ein Metall, das eine geringe Oxidationsneigung hat, wie Edelmetalle oder legierter Stahl, oder Keramik.
Wesentlich ist, daß die Körperanordnung Durchgänge aufweist, die eine Durchströmung mit Gas bzw. mit dem Brennstoffgemisch gewährleistet und die Kraftstoff-Aufbereitung sowie Einbringung in den Brennraum möglichst wenig behindert. Hierzu eignet sich eine Gitter- oder raumgitterförmige Körperanordnung oder ein Gestrick aus temperatur- und erschütterungsfestem Material, wobei die Körperanordnung oder das Gestrick im Brennraum an seinem Träger fest positioniert ist. Dabei kann die Körperanordnung am Kolbenboden angeordnet sein, insbesondere in dessen zentralen Bereich oder in einer Kolbenbodenausnehmung.
Die durchströmbare Körperanordnung kann durch ein Gestrick aus Fasern gebildet sein. Diese Ausgestaltung eignet sich insbesondere für eine Aufnahme in eine Kolbenbodenmulde.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist es möglich und vorteilhaft, die Thermomasse und/oder die Kolbenfläche und/oder die den Brennraum begrenzende Innenwandung des Zylinderkopfes mit einem katalytischen Material zu beschichten, wodurch eine weitere Emmissionsminderung erreicht wird. Durch diese Maßnahme wird zumindest teilweise eine Verlagerung bzw. eine Erweiterung der Kraftstoffumsetzung von der Verbrennung zur katalytischen Umsetzung hin erreicht. Ferner kann hierdurch sicher gestellt werden, daß in den kühleren Zonen des Brennraums, in denen die Temperatur für eine Entflammung nicht mehr ausreicht, noch eine Brennstoffumsetzung stattfindet.
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Zylinders.
Die Zeichnung zeigt andeutungsweise einen Zylinder 1 eines Verbrennungsmotors, mit einer Laufbuchse 2, die eine Zylinderkammer 3 umschließt in dem ein Kolben 4 hin und her verschiebbar gelagert ist. Der Kolben 4 steht durch ein Pleuelstangengelenk 5 und eine Pleuelstange 6 mit einer nicht dargestellten Kurbelwelle in üblicher Weise in Antriebsverbindung. Zwischen dem Kolben 4 und einem gegenüberliegenden Zylinderkopf 1a ist ein Brennraum 7 gebildet, in der im Funktionsbetrieb des Verbrennungsmotors durch eine allgemein mit 8 bezeichnete Einspritzdüse eines Einspritzventils Brennstoff eingespritzt wird. Ein zugehöriger üblicher Einlaßkanal für Verbrennungsluft und ein zugehöriger Auslaßkanal für Abgas befinden sich im Bereich des Zylinderkopfes 1a und sind aus Vereinfachungsgründen nicht dargestellt. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Verbrennungsmotor um einen Dieselmotor, der mit Eigenzündung arbeitet.
Der Kolben 4 weist an seiner den Brennraum 7 begrenzenden Stirnseite eine bezüglich der Längsmittelachse 9 des Zylinders 1 mittig angeordnete Kolbenausnehmung 11 auf, die vorzugsweise eine bezüglich der Längsmittelachse 9 rotationssymmetrische Form aufweist und deren in der Figur sichtbare Querschnittsform halbkreisförmig gerundet ist, wobei der Randbereich 12 der Kolbenausnehmung 11 konvex gerundet ist, so daß sich eine S-förmige seitliche Begrenzungsform für die Kolbenausnehmung 11 ergibt. Im Zentrum des Grundes der Kolbenausnehmung 11 kann eine kleine kegelförmige Erhöhung 13 vorgesehen sein, deren Mantelfläche vorzugsweise Teil der S-förmigen Seitenkontur der Kolbenausnehmung 11 ist. Die radiale Querschnittsabmessung a der vorzugsweise runden Kolbenausnehmung 11 beträgt vorzugsweise etwa 3/4 bis 1/3 der Querschnittsabmessung b des Kolbens 4. Die Tiefe c der Kolbenausnehmung 11 kann dabei etwa die Hälfte der Querschnittsabmessung a betragen und dem Radius der hier runden Querschnittsausnehmung 11 in etwa entsprechen.
In der Kolbenausnehmung 11 ist eine Thermomasse 14 fest angeordnet, die im Funktionsbetrieb der vorbeistreichenden Flammfront Wärmeenergie entzieht und dadurch eine Temperatursenkung herbeiführt, insbesondere Temperaturspitzen senkt. Dabei soll die Temperatur insbesondere unter etwa 2000 K gehalten bzw. gesenkt werden.
Die Thermomasse 14 weist vorzugsweise eine große Oberfläche auf, wobei sie porös sein kann oder einen raumgitterförmigen Aufbau, z. B. in Form eines rippenförmigen, maschenförmigen oder faserförmigen Körpers, aufweisen kann. Die Thermomasse 14 ist somit vom Kraftstoff/Luft-Gemisch und der sich im Funktionsbetrieb einstellenden Flammfront durchströmbar. Es soll die Strömung im Brennraum 7, insbesondere eine Drallströmung, und die Kraftstoffaufbereitung möglichst wenig behindert werden. Hierzu eignet sich ein rippen- oder faserförmiger Körper mit großen Zwischenräumen zwischen den Rippen bzw. Fasern vorzüglich.
Die Thermomasse 14 besteht aus temperatur- und erschütterungsfestem Material hoher spezifischer Wärmekapazität und hoher Dichte. Die Wirkungsweise wird begünstigt, wenn die Thermomasse 14 quer zur Mittelachse 9 großflächig, vorzugsweise homogen, verteilt ist. Die Wärmeleitfähigkeit kann bei entsprechend großer Oberfläche von untergeordneter Bedeutung sein. Als Material für die Thermomasse 14 eignet sich Keramik oder auch Metall mit geringer Oxidationsneigung.
Im Rahmen der Erfindung kann die thermische Masse 14 aus einer Mehrzahl aus einzelnen Teilen bestehen, die jeweils für sich im Brennraum 7 fest angeordnet sind. Vorzugsweise ist ein zusammenhängender Körper 14a vorgesehen. Eine vorteilhafte Ausgestaltung für die thermische Masse 14 bzw. ihren Körper 14a ist ein Gestrick aus dünnen Rippen oder Fasern, das durch regelmäßig oder unregelmäßig kreuz und quer verlaufende und miteinander verbundene Fasern in Form eines Geflechts gebildet, insbesondere gewickelt sein kann. Die Haupt-Wickelrichtung des Gestricks kann dabei konzentrisch um die Mittelachse 9 gelegt sein.
Die Rippen- bzw. Faserstärke sollte ein optimaler Kompromiß zwischen mechanischer Festigkeit einerseits und geringer Strömungsbehinderung andererseits sein.
Die Thermomasse 14 ist vorzugsweise an der Stirnseite des Kolbenbodens 4a angeordnet, vorzugsweise in der Kolbenausnehmung 11 versenkt angeordnet, wobei sie mit der radialen Stirnfläche 4b des Kolbens 4 abschließen kann und die Kolbenausnehmung 11 vorzugsweise vollständig ausfüllen kann. Sie ist in der Kolbenausnehmung 11 befestigt, vorzugsweise vollflächig. Dabei kann das Gestrick die Ausgestaltung eines Topfkratzers aufweisen.
Es ist aus Gründen einer guten Gemischaufbereitung und Durchströmung vorteilhaft, wenn die Thermomasse 14 in dem Bereich, in dem die nicht dargestellten Einspritzstrahlen des Einspritzventils 8 auf sie treffen, mit im Querschnitt größeren Durchgängen versehen ist als im übrigen Bereich. Bei einem Gestrick kann dies dadurch erreicht werden, daß es in dem Bereich, in dem die Einspritzstrahlen auftreffen oder im oberen Bereich, weitmaschiger ist. 1 Zylinder
2 Laufbuchse
3 Zylinderkammer
4 Kolben
4a Kolbenboden
4b Stirnfläche
5 Pleuelstangengelenk
6 Pleuelstange
7 Brennraum
8 Einspritzdüse
9 Längsmittelachse
11 Kolbenausnehmung
12 Randbereich
13 Erhöhung
14 Thermomasse
14a Körper

Claims (19)

1. Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Zylinder (1) und wenigstens einem Kolben (4), der in einer Zylinderkammer (3) hin und her verschiebbar gelagert ist und einen Brennraum (7) in der Zylinderkammer begrenzt, dadurch gekennzeichnet, daß im Brennraum (7) eine Thermomasse (14) aus temperaturfestem Material angeordnet ist.
2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermomasse (14) aus erschütterungsfestem Material besteht.
3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermomasse (14) eine große Wärmekapazität aufweist.
4. Verbrennungsmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermomasse (14) eine hohe Dichte ausweist.
5. Verbrennungsmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermomasse (14) eine große Oberfläche aufweist.
6. Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermomasse (14) porös ist.
7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermomasse (14) einen rippenförmigen oder faserförmigen oder maschenförmigen Körper (14a) aufweist.
8. Verbrennungsmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermomasse (14) aus Keramikmaterial oder oxidationsfestem Metall besteht.
9. Verbrennungsmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermomasse (14) am Kolbenboden (4a) angeordnet ist.
10. Verbrennungsmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Wandung des Brennraums (7) eine Ausnehmung vorgesehen ist und die Thermomasse (14) in der Ausnehmung angeordnet ist.
11. Verbrennungsmotor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (11) im Kolbenboden (4a) angeordnet ist.
12. Verbrennungsmotor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermomasse (14) die Ausnehmung (11) ausfüllt.
13. Verbrennungsmotor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Querschnittsabmessung (a) der Ausdehnung (11) etwa 3/4 bis 2/3 der Querschnittsabmessung (b) des Kolbens (4) entspricht.
14. Verbrennungsmotor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Abmessung (c) der Ausnehmung (11) und/oder der Thermomasse (14) etwa die Hälfte der radialen Abmessung (a) entspricht.
15. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einspritzdüse (8) in den Brennraum (7) gerichtet ist und die Durchgänge oder Maschen der Thermomasse (14) in ihrem der Einspritzdüse (8) zugewandten Bereich größer sind als in ihrem der Einspritzdüse (8) abgewandten Bereich.
16. Verbrennungsmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermomasse (14) und/oder die Kolbenfläche (4b) und/oder die den Brennraum begrenzende Innenwandung des Zylinderkopfes (1a) mit einem katalytischen Material beschichtet ist.
17. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Verbrennungsmotor um einen Dieselmotor handelt.
18. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Verbrennungsmotor um einen magerlauffähigen Ottomotor, insbesondere einen direkteinspritzenden Ottomotor mit Schichtladefähigkeit handelt.
19. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Verbrennungsmotor um einen homogen mit Lambda um 1 laufenden Ottomotor, insbesondere einen saugrohreinspritzenden Ottomotor handelt.
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