DE4033843C2 - Zweistoff-Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Verbrennungssystem für Zweistoff-Brennkraftmaschinen.

Stationäre Hubkolben-Brennkraftmaschinen, welche mit Erdgas- oder anderen gasförmigen Brennstoffen betrieben werden, verbrauchen Zündenergie von einem Funken oder einer kleinen Vormenge bzw. Pilotmenge (typischerweise 5% des Gesamtbrennstoffes) eines flüssigen Brennstoffes, der eine adäquate Cetanzahl (typischerweise Diesel-Brennstoff) hat, die direkt in die Brennkammer gespritzt wird. Diese pilotgezündeten Kraftmaschinen werden als "Gas-Diesel" oder "Zweistoff"-Brennkraftmaschinen bezeichnet.

Es wurden intensive Untersuchungen mit dem Ergebnis durchgeführt, daß die ungünstigen Emissionswerte sich durch eine Konkurrenz von Flüssigpilotbrennstoff und gasförmigen Primärbrennstoffen um den erhältlichen Sauerstoff ergeben. Bei dieser Konkurrenz um den verfügbaren Sauerstoff siegen die gasförmigen Brennstoffmengen und der Anteil des Pilotbrennstoffes bleibt auf der Strecke, woraus hohe, dem Flüssigbrennstoff zuzuschreibende Abgasemissionswerte resultieren.

Nach der US-PS 27 99 255 ist eine Gas-Brennkraftmaschine bekannt, die eine Hilfsbrennkammer aufweist, welche direkt im Zylinderkopf angeordnet ist. Hierbei wird in die Hilfsbrennkammer ein und derselbe Gasbrennstoff eingeführt, der auch in die Hauptbrennkammer eingeführt wird. Die Mischung aus Brennkraftstoff und Luft ist hierbei so eingestellt, daß keine Selbstentzündung in der Hilfsbrennkammer stattfinden kann. Vielmehr ist in der Hilfsbrennkammer eine Zündkerze angeordnet, die das Brennstoffluftgemisch entzündet. Alternativ kann das Gemisch in der Hilfsbrennkammer auch über das Einspritzen eines Zündöles entzündet werden. Aufgrund der Tatsache, daß die Hilfsbrennkammer ein Volumen hat, welches mindestens genauso groß ist wie das Volumen der Hauptbrennkammer bei der Stellung des Kolbens im oberen Totpunkt, taucht bei der Zündölzündung das Problem auf, daß die relativ große, in die Hilfsbrennkammer gedrückte Menge des Gas-Luftgemisches bei der Zündung durch Einspritzen des Zündöles praktisch den gesamten Sauerstoff an sich reißt, wodurch die Zündölmenge schlecht verbrannt wird, was wiederum in hohen Abgaswerten resultiert.

Weiterhin ist die DE-OS 17 51 189 bekannt, in der eine Vorkammermaschine beschrieben wird, wobei die Vorkammer ein relativ großes Volumen von 10 bis 30% bezüglich des Hauptbrennkammervolumens hat. In diese Vorkammer wird allerdings der gesamte, zum Betrieb des Zylinders notwendige, Kraftstoff eingeführt und durch eine Zündkerze entzündet. Hierbei handelt es sich um eine ausschließlich mit Diesel betriebene Maschine.

Schließlich ist die DE-OS 29 21 997 bekannt, in der ein Verfahren zum Betrieb einer Zweitakt-Brennkraftmaschine beschrieben wird, wobei eine Nebenkammer mit einer Zündkerze zum Einsatz kommt und wobei diese Nebenkammer eine Gestalt aufweist, die eine gute Durchmischung und damit ein vollständiges Verbrennen des Gasgemisches in der Nebenkammer verhindert. Der Volumenanteil der Nebenkammer am Brennraumvolumen im oberen Totpunkt beträgt dort 1,4% bis 2,2%.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorkammer für eine Gas-Diesel-Brennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen, deren Abgasemissionen niedrig sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs enthaltenen Merkmale gelöst, wobei zweckmäßige Weiterbildungen durch die in den Unteransprüchen enthaltenen Merkmale gekennzeichnet sind.

Nach der Erfindung wird ein günstiger Brennstoffverbrauch erzielt, die Leistung erhöht und die Anwendungsgebiete für Gas-Diesel-Brennkraftmaschinen erweitert.

Ferner erreicht die Erfindung die vorstehend genannten Zielsetzungen auf eine einfache Weise, welche kostengünstig ist, eine ausreichende Standzeit der Bauteile sicherstellt und flexiblen Einsatz ermöglicht.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Darin zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkammer mit der verbesserten Brennerzelle nach der Erfindung;

Fig. 2 eine vergrößerte Seitenansicht mit Teilschnittdarstellung der Brennerzelle nach Fig. 1.

Eine typische Auslegungsform einer Brennkraftmaschine nach der Erfindung ist die LSVB und die KSV-Viertakt-Brennkraftmasschine. Beide werden von Cooper-Bessemer, einer Gesellschaft der Firma Cooper Industries, hergestellt. Die Zweistoff-Brennkraftmaschinen umfassen zweckmäßigerweise 12, 16 oder 20 Zylinder. Die LSVB- und KSV-Brennkraftmaschinen sind abgewandelt unter Anwendung der Brennerzellenanordnng 50 (Fig. 1 und 2).

Die Brennerzelle ist unabängig davon, ob die Brennkraftmaschine stationär oder mobil betrieben wird. Die Erfindung ist im Hinblick auf den Wirkungsgrad am besten geeignet für große Brennkraftmaschinen.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 ist die Erfindung anhand einer Viertakt-Brennkraftmaschine dargestellt, bei der die Zylinder normalerweise mit einem gasförmigen Hauptbrennstoff gespeist werden, und es sind zwei Brennerzellenanordnungen 50 vorgesehen, die mittels einer relativ kleinen Menge eines flüssigen Zündbrennstoffes gezündet werden. Die Selbstzündungskammer 100 der Brennerzelle hat eine im wesentlichen segmentierte sphäroparaboloidförmige Gestalt, und ihr Volumen beläuft sich in typischer Weise auf ein bis fünf Prozent des Volumens der Hauptkammer 17, die durch den Kolben 22, den Zylinderkopf 24 und die Wände des Zylinders 16 am oberen Totpunkt des Kolbenhubs begrenzt wird. Jedoch können sich die Abmessungen der Selbstzündungskammer 100 auch auf solche Werte belaufen, daß bis zu fünfundzwanzig Prozent des Volumens der Hauptkammer 17 bei einer klein bemessenen Brennkraftmaschine eingenommen wird, wenn sich die Hubbewegung an ihrer obersten Stelle befindet. Eine derartige Selbstzündungskammer 100 kann den brennstoffarmen Inhalt der Hauptkammer 17 zünden. (Eine arme Verbrennung ist eine effektive Maßnahme zum Verbessern der Abgaszusammensetzung einschließlich Stickoxide, insbesondere bei gasförmigen Brennstoffen.)

Im Zylinderkopf 24 zwischen den Ventilen ist eine Brennstoffeinspritzdüse 40 angeordnet, wie dies bei Diesel-Brennkraftmaschinen üblich ist. Bei der Einspritzdüse 40 kann es sich um eine Mehrloch-Einspritzeinrichtung handeln.

Nunmehr wird auf Fig. 2 Bezug genommen, die eine vergrößerte Ansicht der in Fig. 1 gezeigten Brennerzelle 50 zeigt. Die Brennerzelle 50 umfaßt einen im allgemeinen rohrförmigen Injektorkörper 60, der einen massiven Endabschnitt 62 hat, der ringförmig an in Abstand liegenden Abschnitten ausgenommen ist, wie dies bei 64 und 68 verdeutlicht ist, um eine Ringschulter 66 zu bilden, die eine radiale Anlage 67 im Hinblick auf die nachstehend angegebenen Zweckbestimmungen bildet. Das freie Ende des massiven Abschnitts 62 ist mit einem im allgemeinen segmentierten sphärischen Hohlraum 52 versehen. Vorzugsweise handelt es sich um einen halbkugelförmigen Hohlraum. Der Hohlraum 52 ist im wesentlichen symmetrisch zur Achse des rohrförmigen Körpers 60 ausgerichtet und steht mit dem Innenraum 61 des rohrförmigen Körpers 60 über gestufte Bohrungen 70, 72 und 74 in Verbindung.

Ein Injektor bzw. eine Einspritzeinrichtung 80 ist in die Bohrung 74 eingeschraubt und besitzt eine Dichtung 82, die am Basisteil der Bohrung 72 vorgesehen ist, und sie umfaßt eine Düse 84, die sich in den Durchgang 70 erstreckt. Die Einspritzeinrichtung 80 ist in Relation zur Längsachse des Körpers 60 leicht geneigt, womit der Durchgang 70 geringfügig versetzt in den Hohlraum 52 mündet, was nachstehend erläutert wird.

Die Einspritzeinrichtung kann eine Mehrloch-Einspritzeinrichtung sein. Sie kann auch von einer Zapfendüse mit einer einzigen Öffnung gebildet werden, oder die Düsenauslegung kann durch andere Eigenschaften der Zündstoffe gegenüber Dieselöl vorgegeben sein.

Die Düse 90 der Brennerzelle besitzt einen schmalen Rand 94 zur Bildung einer Abdichtung auf die nachstehend beschriebene Weise, und sie umfaßt einen segmentierten paraboloidförmigen Hohlraum 93, der komplementär zu dem Hohlraum 52 an dem geraden Teil des paraboloidförmigen Endes 91 ausgelegt ist und einen Segmentabschnitt 95 am anderen Ende hat. Die Hohlräume 52 und 93 sind so kombiniert, daß die Selbstzündungskammer 100 eine im allgemeinen segmentierte sphäroparaboloidförmige Form erhält.

Der Hohlraum 93 steht mit der Hauptkammer 17 über den Durchgang 102 in Verbindung, der im wesentlichen tangential in den Hohlraum 93 mündet und im wesentlichen senkrecht zur äußeren Oberfläche der Brennerzelle verläuft. Der Durchgang 102 ist etwas von der Tangentiallinie nach oben versetzt, die an den segmentierten sphärischen Hohlraum gelegt ist.

Die Düse 90 der Brennerzelle ist mit dem freien Ende des massiven Abschnitts 62 über eine Schweiß- oder Lötwulst 104 verbunden, welche die abgeschrägte äußere Kante der entsprechend zugeordneten End- und Kopfflächen ausfüllt.

Der Zylinderkopf 24 besitzt eine Ausnehmung 120 für die Brennerzelle, mit einem Sitz 122 im Durchgang 123, welcher den Düsenkopfrand 94 abdichtet, und zusätzlich ist axial im Abstand ein Durchgang 124 vorgesehen, welcher den rohrförmigen Körper 60 trägt und ausrichtet. Die Schulter 66 der Brennerzelle kann mittels Preßsitz in dem Durchgang 123 befestigt werden, und der Durchgang 102 ist mittels einer nicht gezeigten geeigneten Einrichtung relativ zu der Hauptzylinderkammer 17 auszurichten. In ähnlicher Weise ist der konische Abschnitt 96 so ausgelegt, daß er an der Kante anliegen kann, die sich durch den Schnitt des Durchgangs 120 und des Sitzes 122 ergibt.

Der Zylinderkopf 24 ist im Bereich des Durchgangs 120 mit einer konischen Ausnehmung 121 versehen. Der Düsendurchgang 102 weist zu der konischen Ausnehmung 121.

Die Brennerzelle 50 ist eine Selbstzündungskammer 100 und hat keine Zündeinrichtung (d. h. keine Zündkerze) oder ähnliche externe Fremdzündungseinrichtungen, die in direkter Verbindung mit Selbstzündungskammer 100 stehen.

In Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines gemäß der Erfindung vorgesehenen Kolbens mit einer gebrochenen Linie 23 dargestellt, während sich die durchgezogene Linie 23a auf den Kolbenkopf bezieht, der normalerweise bei Dieselbrennkraftmaschinen eingesetzt wird.

Das Starten der Zweistoff-Brennkraftmaschine erfolgt normalerweise im reinen Dieselbetrieb, obgleich die halbkugelförmigen Kolbenstange nicht die effizienteste Ausgestaltungsweise bei der Dieselbetriebsart darstellt. Dennoch erfüllen sie ihren Zweck beim Starten, Aufwärmen und beim Betreiben der Brennkraftmaschine mit Dieselbrennstoff. Selbst wenn zum Starten, Aufwärmen und zum vollständigen Betreiben mit Dieselbrennstoff die Brennerzelle nicht benötigt wird, wird diese nach wie vor weiterbetrieben, um diese sauber zu halten. Auch soll die Brennerzelle sofort einsatzfähig sein, wenn die Brennstoffquelle auf gasförmigen Brennstoff umgeschaltet wird.

Die Erfindung läßt sich bei Zweitakt-Brennkraftmaschinen sowie bei Viertakt-Brennkraftmaschinen anwenden. Der Durchmesser der Kolben, die bei diesen Brennkraftmaschinen vorgesehen sind, liegt im allgemeinen in der Größenordnung von 355,6 bis 500 mm, wobei der jeweilige Hub nicht von ausschlaggebender Bedeutung ist. Beim Arbeiten in der Gasbetriebsart erfolgt die Zündung durch die Brennerzelle. Zweckmäßigerweise wird ein fettes Gemisch in der Brennerzelle eingesetzt, worunter zu verstehen ist, daß ein Luft/Brennstoffverhältnis von 10 : 1 vorhanden ist. Vorzugsweise beläuft sich dieses Verhältnis auf 8 : 1. Ein mageres Gemisch hätte ein Luft/Brennstoffverhältnis von mehr als 10 : 1, und es beläuft sich etwa auf näherungsweise 12 : 1.

Die Brennerzelle und der Cetanwert des Flüssigbrennstoffs sind so eingerichtet, daß eine Selbstzündung des in der Selbstzündungskammer komprimierten Gemisches auftritt. Da die Verbindungsbohrung 102 eine Verbindung zwischen der Selbstzündungskammer 100 und der Hauptkammer 17 herstellt, nimmt die Brennerzelle die heißen, komprimierten Gase vom Kompressionshub des Kolbens 2 auf, und diese werden in die Kammer 100 mittels einer Verwirbelung durch die tangentiale Anordnung der Bohrung 102 eingebracht. Der Flüssigbrennstoff wird unter einem Winkel relativ zu dem Strom der komprimierten Luft eingeleitet, und er wird entweder durch die Wärme der Luft gezündet, oder er wird gezündet, wenn er die Wand der Kammer 100 berührt. Er strömt dann aus der Bohrung 102 und dient zur Zündung des komprimierten gasförmigen Brennstoffs in der Hauptkammer 17.

In diesem Zusammenhang ist es wesentlich, daß die Brennerzelle 50 ein separates Bauteil ist und nicht einen Teil des Zylinderkopfs bildet. Somit kann die Brennerzelle sowohl ein Teil der Grundausstattung bei der Herstellung bilden, als auch ein Teil, das zur relativ einfachen Nachrüstung oder Umrüstung bei älteren Einstoff-Brennkraftmaschinen zur Verfügung steht, oder das zur Verbesserung von Zweistoff-Brennkraftmaschinen genutzt werden kann.

Die Erfindung ermöglicht eine gesteuerte brennstoffreiche Verdünnung in der Brennerzelle. (Eine fette Verbrennung stellt ebenfalls eine wirksame Maßnahme zum Verbessern der Abgaszusammenseztung einschließlich Stickoxiden bei Flüssigbrennstoffen dar.)

Die Brennerzelle ermöglicht ferner die Verwendung einer sehr kleinen Menge des flüssigen Brennstoffes, da die Aufgabe des Flüssigbrennstoffs nunmehr im wesentlichen in der einfachen Zündung des leicht zündbaren, steuerbaren Gemisches in der Brennerzelle zu sehen ist.

Durch die Erfindung wird das Problem der Zündung einer mageren Gasmischung in der Hauptbrennkammer auf die Zündung in der Brennerzelle mit einer direkten Einspritzung eines Flüssigpilotbrennstoffes verlagert, in welcher der gasförmige Brennstoff leicht mit einer kleinen Menge eines Flüssigpilotbrennstoffes zur Zündung gebracht werden kann.

Das Spülen der Brennerzelle und die Einleitung des gasförmigen Brennstoffes in die Brennerzelle erfolgt mittels Druckänderungen im Brennraum während der Expansion und der Kompression. Das Spülen kann aber auch dadurch unterstützt werden, daß der Brennerzelle gesteuerte Ventile zugeordnet sind, welche diese mit Luft und/oder mit Brennstoff versorgen. Eine solche Auslegungsform ist in der Zeichnung nicht dargestellt.

Die Zündung der Brennerzelle erfolgt normalerweise durch das Einspritzen einer Brennstoffmenge (Zündstoff) mit einem ausreichenden Selbstzündungsvermögen (Cetanzahl), um das Einleiten der Verbrennung beim Eindringen des Luft/Brennstoffgemisches in die Brennerzelle zu erreichen, wobei die Temperatur des Gemisches durch die Zylinderkompression auf einen gewissen Wert angestiegen ist. Die Zündung kann auch dadurch eingeleitet werden, daß der Zündstoff in Kontakt mit einer heißen Fläche der Brennerzelle kommt. Auch können irgendwelche Bauarten von extern versorgten Heizeinrichtungen vorgesehen sein.

Brennstoff mit einem akzeptablen Cetanwert ist heutzutage kostengünstig als Zündstoff verfügbar. Jedoch können auch andere Flüssigkeiten im Hinblick auf die Zündwilligkeit, die Emissionssteuereigenschaften oder die Wirtschaftlichkeit gewählt werden. Die kleine Menge an Zündstoff, die bei der Brennerzelle erforderlich ist, ermöglicht den praktischen Einsatz von anderen Stoffen als der bisher übliche Dieselkraftstoff.

Ein weiteres, wichtiges Anwendungsgebiet für die Erfindung ist darin zu sehen, daß man niedrigere Kompressionsverhältnisse bei den Brennkraftmaschinen zulassen kann, welche bei empfindlichen Brennstoffen (niedrigere Oktanzahl) erforderlich sind. Die Brennerzelle kann hinsichtlich ihrer Ausgestaltung mehr oder weniger abhängig von der Wärme gewählt werden, die durch die Kompression erzeugt wird, und daher kann sie auch bei speziellen Anwendungsgebieten zur Erfüllung ihrer Funktion kleiner bemessen werden. Eine Wärmesenke sowie die Verwendung von extern gespeisten Wärmequellen bieten eine weitgehende Flexibilität beim Einsatz.

Die Leistungsfähigkeit einer Diesel-Brennkraftmaschine bleibt unter Anwendung der Erfindung unverändert aufrechterhalten. Sie besitzt eine übliche Einspritzanlage 40 im Zylinderkopf 24, welche gegebenenfalls gekühlt werden kann und die die Funktionsfähigkeit im Bereitschaftsbetrieb aufrechterhält. Das Umschalten während des Arbeitens zwischen Gas-Dieselbetrieb und reinem Dieselbetrieb kann mit Hilfe von üblichen, heutzutage verfügbaren Verfahrensweisen bewerkstelligt werden.

Claims (7)

1. Zweistoff-Brennkraftmaschine mit Gas als Hauptbrennstoff und Selbstündung durch einen flüssigen Zündbrennstoff, die als eine Hubkolben-Brennkraftmaschine ausgelegt ist, mit einer Mehrzahl von Zylindern, wobei jeder Zylinder einen Kolben (22) und eine erste Brennstoff-Einspritzeinrichtung (40) für das Gas, welches in eine Hauptbrennkammer eingeführt wird, aufweist und mit einer zweiten Brennstoff-Einspritzeinrichtung für den Zündbrennstoff, welcher in eine mit dem Hauptbrennraum verbundene Brennerzelle eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerzelle (50) als vom Zylinderkopf getrenntes, separates Bauteil ausgebildet ist und eine an einem Ende der Kammer angeordnete Brennerzellendüse (90) aufweist, wobei die Selbstzündungskammer (100) der Brennerzelle ein Volumen von 1 bis 25% des Volumens des Brennraumes aufweist, der im oberen Totpunkt des Kolbens gebildet ist.

2. Zweistoff-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerzelle (50) extern versorgbare Heizeinrichtungen zum Anheben des Temperaturgradienten an den inneren Flächen der Brennerzelle umfaßt, welche den Zweck verfolgen, die Zündung bei einem Kontakt des flüssigen Brennstoffes mit der Kammerfläche der Brennerzelle auszulösen.

3. Zweistoff-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerzelle (50) eine innere, im allgemeinen segmentierte sphäroparaboloidförmige Selbstzündungskammer (100) umfaßt.

4. Zweistoff-Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchgang (102), der eine Verbindung mit der Selbstzündungskammer (100) herstellt, im wesentlichen tangential relativ zu der Zellenkammer angeordnet ist, so daß durch den Kolben komprimierte und über den Durchgang in die Selbstzündungskammer eingeleitete Luft darin verwirbelt wird.

5. Zweistoff-Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einspritzeinrichtung geneigt, vorzugsweise zwischen 4 und 5° versetzt zur Achse der Selbstzündungskammer angeordnet ist.

6. Zweistoff-Brennkraftmasschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerzelle an dem einen Ende einen massiven Abschnitt (62) hat, der massive Abschnitt ein erstes und ein zweites Ende hat, ein Injektordurchgang (70) vorgesehen ist, der durch den massiven Abschnitt geht, der Injektordurchgang (70) derart bemessen ist, daß die zweite Brennstoff-Einspritzeinrichtung (80) unter einem vorbestimmten Winkel zu einer Achse der Brennerzelle gehalten ist, das zweite Ende die Brennerdüse hat, und einen im allgemeinen segmentförmigen sphärischen Hohlraum (52) bildet, wobei der spährische Teil mit dem Injektordüsendurchgang wirkverbunden ist, und die mit einem im allgemeinen segmentierten paraboloidförmigen Hohlraum (39) verknüpft ist, der komplementär zu dem segmentierten sphärischen Hohlraum ausgebildet ist, um eine Selbstzündungskammer (100) zu bilden, die eine im allgemeinen segmentierte sphäroparaboloidförmige Gestalt hat.

7. Zweistoff-Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Brennerzellen (50) als vom Zylinderkopf getrennte, separate Bauteile vorgesehen sind.