DE3644747A1 - Verbrennungsmotor mit flammhalter und brennraumisolation - Google Patents

Verbrennungsmotor mit flammhalter und brennraumisolation

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Description

1. Stand der Technik
Verbrennungsmotoren mit innerer Verbrennung wie Otto- und Diesel­ motoren weisen zur Kühlung der Bauteile bis zu den zulässigen Werk­ stofftemperaturen einen erheblichen Wärmefluß auf, der über das Kühlmittel ungenutzt abgeführt werden muß. Versuche, einen Teil der Kühlwärme durch höhere Brennraumwandtemperaturen mit z. B. hitzebe­ ständigen metallischen oder Isolationskeramik-Einsätzen wieder dem Arbeitsprozeß zuzuführen, sind nur sehr begrenzt nutzbar oder z. T. sogar negativ wirksam. Die mit steigender Brennraumwandtemperatur ebenfalls ansteigenden Wärmeübergangswerte und Wärmeflüsse an die Brennraumwände verlagern dabei einen Teil der Verbrennungswärme über die Brennkammerwandkapazität an die Verbrennungsluft während des Spül- und Kompressionstaktes. Dadurch erhöht sich lediglich die mittlere Prozeßtemperatur zu Ungunsten des Prozeßwirkungsgrades (siehe Literatur: MTZ, H 7, 1986, 12). Dies gilt besonders bei 4-Taktern mit längerer Spülphase, weniger stark bei 2-Taktern durch die verkürzte Spülphase. Grundsätzlich wurde bisher als Vorteil ca. 700-1000°C heißer Brennraumwände bemerkt, daß die Verbrennung weniger hart mit geringerem Druckgradienten verläuft.
Die genannte Problematik besteht sowohl bei Vorkammer- als auch bei Direkteinspritz-Dieselmotoren. Bei Ottomotoren sind noch keine Versuche bekannt. Hier ist die Selbstzündung an heißen Wänden hinderlich.
2. Erfindungsgedanken
Die vorgenannten Probleme werden beseitigt oder vermindert durch den Erfindungsgegenstand. Erfindungsgemäß wird der Brennraum von einem Flammhalter umschlossen, der auch auf der Rückseite von Kompressions­ luft umströmt wird. Dadurch wird die innen von der Flamme an den Flammhalter abgegebene Wärme z. T. außen von dem rückwärtigen Luft­ strom aufgenommen und die Flammhaltertemperatur begrenzt. Die be­ grenzte Flammhalter-Wandtemperatur begrenzt auch die absolute Wärme­ abgabe von der Flamme, die bekanntlich durch den überproportional mit der Wandtemperatur anwachsenden Wärmeübergangswert ansteigt.
Außerdem wird die von der Flamme an den Flammhalter zunächst ver­ lorene Wärme wieder partiell an die Prozeßluft während des Arbeits­ taktes zurückgeführt. Erfindungsgemäß soll die rückwärtige Flamm­ halteroberfläche aktiv vergrößert, z. B. verrippt werden, um den Wärmedurch- und Übergang zu erhöhen. Erfindungsgemäß kann hier auch eine möglichst dünne Wandstärke oder hohe Wärmeleitfähigkeit oder Perforierung (Durchlöcherung) des Flammhalters den Wärme­ transport fördern.
Die bei der Kompression und weiter durch den Verbrennungsdruckanstieg in den rückwärtigen Spaltraum des Flammhalters strömende Druckluft wird im Normalfall durch einen Spalt am Rand des Flammhalters strömen. Dieser Spalt sollte gut verrundet zum Einströmen sein, oder der Rand sollte nur zur Hälfte verrundet, aber zur andern Hälfte scharfkantig sein, um eine Luftzirkulation um den Flammhalter herum zu fördern. Der Verbrennungsluftanteil, der pulsierend hinter den Flammhalter ein- und ausströmt, nimmt nach dem Rückströmen in den Brennraum nach Vermischung und O. T. ebenfalls an dem weiteren Brennvorgang teil.
Besondere Bedeutung kommt der erfindungsgemäßen Variante mit einem perforierten, gelöcherten Flammhalter zu: Hier strömt je nach Größe und Zahl der Löcher auch geringe Brennstoff/Luft-Gemischanteile aus der Randzone auf die Rückseite. Dabei wird die Aufgabe des Flamm­ halters, die Flamme von der eigentlichen Wand abzuhalten, teilweise modifiziert, um den Wärmeübergang durch größere Oberflächen usw. zu vergrößern. Außerdem werden die Druckunterschiede zwischen Vorder- und Rückseite des Flammhalters, die Drosselverluste und Befestigungsprobleme bewirken, reduziert.
In allen Varianten wird erfindungsgemäß die Aufgabe erfüllt, die Wärmeabgabe der Brenngase an die tragende Brennraumwand durch ge­ ringere Gastemperaturen in ihrer Grenzschicht zu reduzieren. Dabei wird die thermische Kühlungsverlustleistung reduziert und die mechanische sowie die thermische Abgas-Leistung erhöht.
In weiteren Erfindungsgedanken wird die Isolationswirkung um den Brennraum erhöht, indem außen um den Flammhalter Isolationsmaterial wie z. B. Keramik angeordnet wird. In diesem erfindungsgemäßen Fall kann sich die Isolationswirkung direkt und total auswirken, da die Oberfläche des Isolationsmaterials nur von der Kompressionsluft mit relativ geringer Temperatur (von 500-900°C) beaufschlagt wird (und nicht wie bisher vom Brenngas mit 1500-2000°C).
Die Wände des Isolationsmaterials können sich jetzt bis zur mittleren Kompressionslufttemperatur erhitzen und den Kühlwärmestrom nahezu ganz drosseln. Es erhöht sich zwar bei der hohen Wandtemperatur wieder der spez. Wärmeübergangswert (α), aber die Temperaturdiffe­ renzen werden minimal. Es wird zwar auch die Verbrennungsluft während des Ansaug- und Kompressionshubes partiell vorgewärmt, aber weit weniger als bisher bei direkt isolierten Brennräumen. Daher wird neben einer starken Reduktion der Kühlleistung eine deutliche Erhöhung des Prozeßwirkungsgrades und der nutzbaren Abgastempera­ tur errreicht. Außerdem wird hiermit erstmalig eine nahezu totale Kühlmittelwärmereduktion soweit möglich, daß auf das Kühlmittel und den Kühlmittelkreislauf (bis auf einen restlichen Luftstrom zum Temperaturausgleich) ganz verzichtet werden kann.
Ein weiterer Erfindungsgedanke betrifft die Anwendung von Brenn­ kammerwänden, die bis zu einer bestimmten Tiefe aus porösem Material bestehen. Dabei dringt die Kompressionsluft während der Verdichtung und auch noch z. T. während des Verbrennungsdruckanstieges in die Poren des Materials ein. Die in den Poren befindliche Druckluft wirkt wie eine Grenzschichtverdickung zum Brenngas und erhitzt sich selbst und kühlt das poröse Material. Nach O. T. während der Expansion strömt dieser Luftanteil, der je nach Porengröße und Porentiefe variieren kann, wieder aus dem porösen Material heraus, kühlt die Oberflächen der porösen Materialteile weiter ab und nimmt an der Expansion, zu einem geringeren Teil auch noch an der Verbrennung, teil.
Die porösen Materialteile können z. B. aus gesintertem Metall oder aus Keramik bestehen. Sie können als direkte Brennraumwand wie eine Art Flammhalter oder in Verbindung mit einem zusätzlichen Flamm­ halter Verwendung finden.
Ottomotor-Variante
Während vorgenannte Ausführungen nicht ausschließlich aber mehr Dieselmotorvarianten betreffen, soll erfindungsgemäß auch ein ottomotorischer Betrieb mit Brennraumisolation möglich sein. Dabei steht einer Anwendung die Selbstzündungsmöglichkeit des Brennstoff/ Luft-Gemisches an heißen Brennraumwänden im Wege. Außerdem sollte kein brennfähiges Gemisch hinter den Flammhalter oder in die porösen Wände eindringen und dort verbrennen.
Erfindungsgemäß soll der Brennstoff, in diesem Fall Benzin, erst gegen Ende des Kompressionsvorganges in den Brennraumluftwirbel gespritzt und nach der Vermischung gezündet werden. Dabei soll der rückwärtig von der Überschußluft gekühlte Flammhalter auf zulässige Temperaturen gekühlt bleiben. Auch die in das poröse Material ein­ dringende Luft bleibt dabei von Brennstoff frei und hält die Wand­ oberfläche ausreichend gekühlt.
Es ist auch denkbar, daß ähnlich wie bei Schichtlademotoren ein sekundärer reiner Luftstrom separat vom Brennstoff/Luft-Gemisch durch ein zusätzliches Ansaugkanalsystem in die rückwärtigen Nebenräume des Flammhalters geführt wird und dort seine Kühl- und Isolierwirkung ungestört wahrnehmen kann. In diesem Fall soll bei der Kompression die Frischluft über eine Vorkammer weiter in Nebenräume gedrückt werden. Dabei übernimmt die Vorkammer eine partielle Trenn­ funktion zwischen Frischluft und Gemisch, wobei gegen Ende der Kompression die Vorkammer mit Gemisch und die Nebenkammer mit Frischluft gefüllt ist.
In einer besonderen Variante ist bei einem Ottomotor nur eine Aus­ kleidung des Brennraumes mit porösem Material in den Oberflächen­ schichten vorgesehen. Der zusätzliche direkte Flammhalter entfällt dabei. Jetzt wirken die porösen, mit Druckluft gefüllten Oberflächen wie ein indirekter Flammhalter oder wie eine aktiv verstärkte Grenz­ schicht. In diesem Fall wird der Brennstoff nicht als Gemisch an­ gesogen, sondern erst während oder gegen Ende der Kompression so in das Zentrum eines Luftwirbels verteilt, daß eine Schichtung entsteht, die im Zentrum brennstoffreiches Gemisch, aber nach außen zur Wand sehr hohen Luftüberschuß aufweist.
3. Beschreibung der Abbildungen Fig. 1
Die Fig. 1 stellt einige Ausführungsbeispiele prinzipiell dar. Dabei bedeuten K = Kolben, Z = Zylinder und ZK = Zylinderkopf. Als Brennraumvarianten von vielen anderen möglichen Varianten sind als ª eine zentrale Wirbelvorkammer und als b eine asymmetrische offene Brennraummulde eines direkt einspritzenden Motors dargestellt. Die Brennraumwände sind als unterschiedliche Varianten ausgebildet, wobei c jeweils den metallischen oder keramischen Flammhalter bildet. In dem Kolben K sind in der linken Hälfte ein Isolations­ material e mit einem porösen inneren Wandanteil dargestellt, während rechts von der Mittellinie ein zusätzlicher Flammhalter vorgesehen ist, der über den Lufteintrittsspalt d hinterströmt wird.
Im Zylinderkopf ZK ist links und rechts ein Flammhalter c um eine halbgeschlossene Wirbelkammer ª gezeigt, der an den Oberflächen unterschiedlich mit Rippen bzw. Stegen g oder Noppen h oder Löchern i oder sogar mit porösem Aufbau F versehen wird. Dabei können die größeren Löcher i bzw. die kleineren Poren bei F nur eine gewisse oberflächliche Tiefe haben oder aber den Flammhalter durchdringen, wobei auch die Löcher und Poren an der äußeren und inneren Oberfläche unterschiedlich in der Abrundung, Größe, Volumen und Tiefe sein dürfen.
Eine weitere Anordnung von porösem Material wird unter F in der linken Bildhälfte in den Isolationsfüllkörpern e 1 dargestellt. Hier geht die Porentiefe nicht durch Körper e 1 hindurch, sie kann jedoch den ganzen Körper e 1 durchdringen, wobei Porengröße und Volumenanteile von innen nach außen verlaufend oder stufenweise verändert sind.
Auf der rechten Bildseite ist die äußere Zylinderkopfisolation wieder mit einem Flammhalter c beispielhaft vorgesehen, wobei die dahinterliegenden Isolationskörper e 1 wahlweise vorhanden sind.
Die Einströmspalte d und d 1 sind bei der zentralen Wirbelkammer im ZK stark verrundet in d und scharfkantig in d 1 dargestellt, um eine bevorzugte Strömungsrichtung oder sogar Umströmung des Flamm­ halters beispielhaft anzudeuten.
Auch die Isolationskörper e stellen in Verbindung mit den porösen Volumenanteilen F eine Art Flammhalter dar, der die heiße Flamme durch eine Art Grenzschicht innerhalb des porösen Luftvolumens (und wegen geringerer Wärmeleitung in demMaterial) von den tragen­ den wänden des K , Z und ZK abhält. Auch die restlichen Oberflächen des Kolbens zum Brennraum hin können nach einer der vorgenannten Ausführungsformen isoliert werden.
An Hand von Fig. 1 soll noch einmal die Funktion der Erfindung er­ läutert werden: Während des Kompressionshubes des Kolbens K in den Zylinder Z hinein wird die Verbrennungsluft in einen Brennraum wie eine Vorkammer ª oder offene Brennraummulde b gedrückt. Dabei wird die Druckluft gleichzeitig in die Spalte d/d 1/i hinter den Flamm­ halter c gedrückt. Gleichzeitig oder alternativ wird die Druckluft in die Poren F der Flammhalter c oder der Isolationsfüllkörper e/e 1 gedrückt. Während und nach dem Einspritzvorgang des Brennstoffes in den Brennraum steigt der Druck weiter an, und auch hinter den Flammhalter und/oder in die Poren des porösen Materials strömt bevorzugt Druckluft bis ein Druckausgleich erfolgt. K = Röhrchen.
Die heiße Brenngasflamme erhitzt nun bevorzugt die Flammhalterwand und weniger die dahinter befindliche oder in den Porenvolumina befindliche Luft. Eine partielle Rückkühlung des Flammhalters und der porösen Oberfläche erfolgt bereits während des Verbrennungs­ vorganges. Jedoch nach der Druckspitze im Brennraum strömt die in den Nebenräumen befindliche Druckluft aus den Poren und hinter dem Flammhalter wieder heraus, kühlt dabei die vom Brenngas erhitzten Oberflächen und nimmt während der Vermischung mit dem Brenngas an der Nachverbrennung und Expansion des Arbeitsgases teil.
Die hinter dem Flammhalter bzw. hinter dem porösen Material befind­ lichen Isolations- oder tragenden Werkstoffe nehmen nur die Wärme an, die der Lufttemperatur in den Nebenräumen entspricht. Der Wärmefluß kann dahinter nach Bedarf stark gedrosselt werden.
Wichtig ist, daß nicht nur eine Wärmedämmfunktion während der Verbrennung, sondern während des Expansionshubes die weitgehende Kühlwirkung der heißen Brennraumwände durch die Druckluft aus den Nebenräumen erfolgt. Dadurch wird die neu einströmende Spülluft nicht unnötig erwärmt und der Füllungsgrad reduziert sowie nicht nur die mittlere Prozeßtemperatur erhöht. Die durch Wärmedämmung des Brennraumes erfolgte Reduktion der Kühlwärme verbleibt im Prozeßgas zur Arbeitsleistung und wird auch nicht als parasitäre Wärme nur vom Flammhalter nutzlos an die Spülluft übertragen. Der überhöhte Wärmeübergang und Verlustwärmestrom bei überheißer Brenn­ raumwand wird trotz starker Wärmedämmung vermieden und ein echter Anstieg des Prozeßwirkungsgrades erreicht.

Claims (10)

1. Verbrennungsmotor mit innerer Verbrennung, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum von der Brennkammerwand durch einen Flamm­ halter getrennt wird.
2. Verbrennungsmotor mit innerer Verbrennung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Flammhalter aus einer Metallwand besteht, die auf der Rückseite von Kompressionsluft umspült und gekühlt wird.
3. Verbrennungsmotor mit innerer Verbrennung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kompressionsluft hinter den Flammhalter durch seitliche Spalte strömt und/oder durch Löcher, die über die Oberfläche verteilt sind.
4. Verbrennungsmotor mit innerer Verbrennung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die seitlichen Spalten und/oder Bohrungen partiell scharfkantig und/oder verrundet sind.
5. Verbrennungsmotor mit innerer Verbrennung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die rückwärtige Flammhalteroberfläche eine vergrößerte verrippte Oberfläche besitzt, deren Rippen partiell an der Außenwand abstützen und/oder den Flammhalter befestigen.
6. Verbrennungsmotor mit innerer Verbrennung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die tragende Brennkammerwand zusätzlich mit einem Isolationswerkstoff wärmeisoliert ist.
7. Verbrennungsmotor mit innerer Verbrennung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolationswerkstoff aus porösem, offen­ porigem, metallischem und/oder keramischem Material aufgebaut ist.
8. Verbrennungsmotor mit innerer Verbrennung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Brennkammerwand nur mit dem porösen Material ohne direkten Flammhalter ausgekleidet wird.
9. Verbrennungsmotor mit innerer Verbrennung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammhalter aus (dünnwandigen) Röhrchen geformt und verlötet ist, oder aus ähnlichen Sandwich-Konstruktionen besteht.
10. Verbrennungsmotor mit innerer Verbrennung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennraumwände sowohl des Zylinderkopfes und/oder des Kolbens als auch einer ev. Vorkammer wie vorgenannt bedeckt sind.
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DE4305468A1 (de) * 1993-02-23 1994-09-08 Herbert Prof Dr Ing Heitland Arbeitsverfahren für einen Zweitakt-Verbrennungsmotor und Zweitakt-Verbrennungsmotoren zur Durchführung dieses Arbeitsverfahrens
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