DE69007398T2

DE69007398T2 - Alkoholbrennkraftmaschine mit Vorkammer.

Info

Publication number: DE69007398T2
Application number: DE69007398T
Authority: DE
Inventors: Hideo Kawamura
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1989-09-29
Filing date: 1990-09-27
Publication date: 1994-08-11
Anticipated expiration: 2010-09-28
Also published as: US5095872A; EP0420642B1; EP0420642A1; DE69007398D1; JPH0647929B2; DE420642T1; JPH03115722A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Alkoholmotor mit Brennraumblöcken, bei dem eine Verbindung der Hauptverbrennungskammern mit den Brennräumen über Verbindungskanäle möglich ist, der mit Kraftstoffeinspritzdüsen in den Brennräumen ausgestattet ist.
Umweltverschmutzung durch Abgase aus Motoren ist in den letzten Jahren ein ernstliches Problem geworden und Alkoholmotoren ziehen jetzt steigende Aufmerksamkeit auf sich. Bei einem Alkoholmotor ist der Gehalt an Kohlendioxidgas und Karbiden im Abgas im Vergleich mit anderen Kraftstoffen, wie Benzin und Dieselkraftstoff, extrem niedrig. Ein Alkoholkraftstoff verwendender Motor bringt jedoch das Problem einer geringen Zündempfindlichkeit mit sich. Mit anderen Worten, Alkohol hat eine größere latente Verdampfungswärme als Benzin. Während beispielsweise Benzin eine latente Verdampfungswärme von 0,7 % der Wärmeenergie des Kraftstoffs erfordert, erfordert Alkohol eine latente Verdampfungswärme von 5 %: daher ist der Alkoholkraftstoff schwierig zu verdampfen. Ferner erniedrigt der aus Kraftstoffeinspritzdüsen in die komprimierte Luft innerhalb der Verbrennungskammern eingespritzte Alkoholkraftstoff die Temperaturen der komprimierten Luft und der Wandfläche der Verbrennungskammern infolge von Verdampfung und dies reduziert die Zündempfindlichkeit.
Ein bekannter Motor, der für Alkoholverbrennung verwendet werden kann, ist in EP-A-260 908 beschrieben, wobei die vorliegende Erfindung mit Bezugnahme auf diesen charakterisiert wird. Der darin beschriebene Motor ist mit einer innerhalb Kammerwänden gebildeten Zündkammer versehen, die mit einer Hauptverbrennungskammer in Verbindung steht, und eine Kraftstoffeinspritzdüse mündet in die Zündkammer.
Ein Motorsystem mit laminarer Ansaugung, bei dem eine Kollisionseinspritzströmung eines Kraftstoffs angewendet wird, oder mit anderen Worten, ein Methanolmotor mit Verbrennungskammern eines Kraftstoff-Kollisions-Diffusionssysteins, welches einen Kollisionsteil durch Ausbohren des Kolbenkopf-Mittelabschnitts eines Kolbens sowie einen ausgenommenen Hohlraum rings um diesen Kollisionsteil ausbildet, ist bekannt (siehe z.B. "Internal Combustion Engine", Bd. 27, Nr. 345, Juli 1988, Seiten 35 bis 42). Bei dem Verbrennungsmotor mit diesen Verbrennungskammern wird der Kraftstoff, der von ein einziges Düsenloch aufweisenden Kraftstoffeinspritzdüsen eingespritzt wird, veranlaßt, auf den vorstehenden Teil des Kolbenkopfes aufzutreffen und wird in Scheibenform verteilt. Sodann wird der Kraftstoff mit Luft vermischt und bildet eine Kraftstoff-Luftmischung, während diese im unteren Abschnitt des Hohlraums durch die auf dem Ansteigen des Kolbens beruhende gedrückte oder geguetschte Strömung eingeschlossen ist.
Kraftstoffeinspritzdüsen mit Einspritzöffnungen, die in zwei Stufen und mit Vielfacheinspritzöffnungen ausgebildet sind, sind beispielsweise in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 88413/1978 und in der japanischen Gebrauchsmuster-Offenlegungsschrift Nr. 202768/1988 beschrieben.
Der Methanolmotor mit den Kolben, die mit den Kraftstoff-Kollisions-Diffusions-Verbrennungskammern in der oben beschriebenen Weise ausgestattet sind, bringen das Problem mit sich, daß beim Einspritzen einer sehr kleinen Kraftstoffmenge aus den Kraftstoffeinspritzdüsen im Zeitraum einer Teilbelastung die Verteilung des Kraftstoffs schlecht ist und Kohlenstoff sich auf dem Kollisionsabschnitt niederschlägt.
Nun beträgt der Wärmewert des Alkoholkraftstoffs etwa 25000 kJ/kg (6000 Kcal/kg), und dieser Wert ist etwa die Hälfte desjenigen von Leichtöl. Aus diesem Grund muß die Krafstoffeinspritzmenge des alkoholischen Kraftstoffs größer sein als diejenige des Leichtöls. Wenn der hauptsächlich aus dem alkoholischen Kraftstoff bestehende Kraftstoff im Dieselzyklus im Motor verbrannt wird, sind daher der Verbrennungsvorgang, die Verbrennungskammern, das Einspritzsystem und dergl. unterschiedlich von denjenigen von gewöhnlichen Motoren, da die Verdampfungswärme groß ist, der Wärmewert gering usw. Bei dem Alkohol als Kraftstoff verwendenden Alkoholmotor ist das Verbrennungsverhalten bei Teilbelastung merklich unterschiedlich von demjenigen bei hoher Belastung.
Wenn beispielsweise Methanol-Kraftstoff als alkoholischer Kraftstoff verwendet wird, wird der komprimierten Luft infolge der Verdampfung des Kraftstoffs im Alkoholmotor Wärme entzogen, da der Alkohol eine hohe Verdampfungswärme besitzt, wie oben beschrieben, und es werden in vielen Fällen unverbrannte zwischenprodukte ausgestoßen. Daher müssen die beiden folgenden Hauptfaktoren bei dem Alkoholmotor berücksichtigt werden.
Der erste Faktor besteht darin, daß die Verbrennungskammer einen wärmeisolierten Aufbau haben muß und daß der Temperaturanstieg der Verbrennungskammerwand hoch sein muß, um die Verdampfungswärme dem zerstäubten Alkoholkraftstoff im Zeitpunkt einer niedrigen Temperatur, wie im Teillastbetrieb des Motors, zuzuführen. Bei einem wärmeisolierten Motor erreicht jedoch die Verbrennungskammerwand keine besonders hohe Temperatur während der Teilbelastung, so daß Zündempfindlichkeit und Verbrennung nicht gut sind, mangelhafte Zündung und unvollständige Verbrennung stattfinden und leicht unverbranntes Gas auftritt. Insbesondere, da der Alkoholkraftstoff eine große latente Verdampfungswärme braucht, erreicht die Innenwandfläche der Verbrennungskammer noch keine hohe Temperatur während des Niederlastbetriebes des Motors bei niedriger Drehzahl. Daher kann die Wandfläche dem Kraftstoff nicht die Verdampfungswärme liefern und die Verdampfung fördern, und es kann nicht leicht eine Verdampfungsmischung erreicht werden. Infolgedessen wird die Verbrennung unvollständig und die Erzeugung von unverbranntem Gas ist beachtlich.
Der zweite Faktor besteht darin, daß der Wandteil der Verbrennungskammern durch den Alkoholkraftstoff während der Zeit hoher Temperatur, wie beim Vollastbetrieb des Motors, gekühlt wird, und die Temperatur der Verbrennungskammer nicht auf einem sehr hohen Wert gehalten wird. Bei wärmeisolierten Motoren erreicht jedoch die Wand der Verbrennungskammern während der hohen Belastung eine hohe Temperatur. Obwohl Zündung und Verbrennung des Kraftstoffs zufriedenstellend durchgeführt werden, sinkt daher der Ansaugwirkungsgrad leicht ab und eine abnormale Zündung und Verbrennung tritt leicht auf, wenn die Verbrennungskammern sich auf einer übermäßig hohen Temperatur befinden.
Die Erfindung sucht die oben beschriebenen Probleme zu lösen und einen Alkoholmotor mit Brennraumblöcken zu schaffen, die so ausgebildet sind, daß Brennräume und Verbindungskanäle in einem wärmeisolierten Aufbau gebildet werden, um ausreichende Verdampfungsenergie dem alkoholischen Kraftstoff zuzuführen, welcher aus in den Brennräumen angeordneten Kraftstoffeinspritzdüsen zerstäubt wird, und um den Temperaturanstieg der Wand der Verbrennungskammern zu beschleunigen.
Die Erfindung schafft einen Alkoholmotor mit:
einem Zylinder und Hauptverbrennungskammern innerhalb der Zylinder bildenden Zylinderblock, einem am Zylinderblock befestigten Zylinderkopf, innerhalb der jeweiligen Zylinder hin und her bewegbaren Kolben, im Zylinderkopf angeordneten, Brennräume enthaltenden und einen wärmeisolierten Aufbau besitzenden Brennraumblöcken, zwischen den Hauptverbrennungskammern und den Brennräumen angeordneten Verbindungskanälen, und Kraftstoffeinspritzdüsen, die sich in jeweilige Brennräume erstrecken und mit ihren Einspritzöffnungen in die Brennräume münden;
dadurch gekennzeichnet:
daß die Verbindungskanäle einen wärmeisolierten Aufbau besitzen und mit zu den Brennräumen hinwei8 nden scharfen Kanten versehen sind, und die Kolben jeweils mit Vorsprüngen an ihren Oberteilen an Stellen versehen sind, so daß die Vorsprünge in die Verbindungskanäle vorragen und ringförmige Durchlässe mit den Wänden der Verbindungskanäle bilden, wenn sich die Kolben im Bereich ihrer obersten Stellung befinden, wodurch Einlaßluft, die von den Hauptverbrennungskammern in die Brennräume durch die Verbindungskanäle strömt, eine gedrückte Strömung bildet;
und daß die Kraftstoffeinspritzdüsen jeweils einen Düsenhauptkörper, der sich zu einem Mittelabschnitt des Brennraums erstreckt, und eine Anzahl von Einspritzöffnungen aufweist, die rings um eine Spitze des Düsenhauptkörpers ausgebildet sind und gegenüber einer inneren Umfangswandfläche des Brennraums münden, wodurch Alkoholkraftstoff bei Betrieb durch die Einspritzöffnungen zerstäubt, von den Düsenspitzen in die Brennräume radial nach außen geschleudert wird, so daß sich die Kraftstoffströmung und die gedrückte Luftströmung allgemein rechtwinklig schneiden, um eine Vermischung zwischen Kraftstoff und Luft zu bewirken.
Vorzugsweise weist jede Kraftstoffeinspritzdüse Einspritzöffnungen auf, die rings um den Spitzenteil des Düsenhauptkörpers in mehreren Stufen entlang der Längserstreckung des Spitzenteils ausgebildet und derart angeordnet sind, daß der aus den mehrstufigen Einspritzöffnungen eingespritzte Alkoholkraftstoff von der Düse radial nach außen gegen die Innenwandfläche des Brennraums geschleudert wird und die Luftströmung schneidet, die in den Brennraum durch den ringförmigen Durchlaß einströmt, wodurch die Vermischung zwischen Kraftstoff und Luft gefördert wird.
Die Temperatur der Wandfläche der Brennräume und der Verbindungskanäle kann zur Zeit einer niedrigen Temperatur, wie während eines Teillastbetriebes des Motors, unmittelbar angehoben werden, und die Wandfläche der Brennräume wird durch den alkoholischen Kraftstoff während eines Zeitraums mit hoher Temperatur, wie beim Vollastbetrieb des Motors, abgekühlt, so daß die Verdampfung des Kraftstoffs innerhalb eines Düsenhauptkörpers begrenzt wird, der innerhalb jedes Brennraums angeordnet ist, wodurch eine hervorragende Zerstäubung erreicht wird.
Vorzugsweise weist jede Kraftstoffeinspritzdüse einen keramischen Düsenhauptkörper mit hoher Hitzebeständigkeit und Beständigkeit gegen Alkohol auf, der beispielsweise aus Siliziumkarbid oder Siliziumnitrid gebildet ist. Der zerstäubte Kraftstoff wird gleichförmig verteilt und eingespritzt in Richtung radial nach außen, so daß er auf die Wandfläche des Brennraums auftrifft und die Einströmrichtung der Ansauglauft infolge der gedrückten Strömung in den Brennraum und die Einspritzrichtung aus der Kraftstoffeinspritzdüse einander rechtwinklig kreuzen. Verdampfung und Vermischung des alkoholischen Kraftstoffs mit Ansauglauft kann zur Erzielung einer erfolgreichen Verbrennung zufriedenstellend durchgeführt werden, so daß die Emission von unverbranntem Kraftstoff oder Zwischenprodukten verhindert wird, und es wird eine Hauptverbrennung in jedem Brennraum derart ausgeführt, daß die Bildung von NOx begrenzt wird.
Vorzugsweise besteht der Brennraumblock aus einem dünnen inneren Wandteil, der aus keramischem Material mit hoher Hitzebeständigkeit und hoher Alkoholbeständigkeit, wie Siliziumnitrid und Siliziumkarbid, hergestellt ist, einem wärmeisolierenden Teil, der auf der Außenfläche des inneren Wandteils angeordnet ist und aus einem Material von Aluminiumtitanat mit niedriger Wärmeleitfähigkeit hergestellt ist, und einem metallischen Zylinderrohr, das rings um den Außenumfang des wärmeisolierenden Teils angeordnet ist, um die Wärmekapazität des inneren Wandteils, d.h. der zum Brennraum weisenden Wandfläche, zu reduzieren und es dem inneren Wandteil zu ermöglichen, der Brenngastemperatur und der Alkoholkraftstofftemperatur schnell zu folgen. Die Temperatur des Brennraums kann auf eine optimale Temperatur gesteuert werden, so daß nur die Temperatur des inneren Wandteils des Brennraums durch das Verbrennungsgas während einer Zeit niedriger Temperatur, wie beim Teillastbetrieb des Motors, schnell angehoben werden kann, und eine Mischung des durch die Kraftstoffeinspritzdüsen zerstäubten Alkoholkraftstoffs und Ansaugluft kann schnell gezündet und verbrannt werden, und jeder Brennraum kann durch den Alkoholkraftstoff, der durch die Kraftstoffeinspritzdüsen zerstäubt wird, in Zeiten hoher Temperatur, wie im Vollastbetrieb des Motors, auf die optimale Temperatur gesteuert werden, und der Temperaturanstieg des Brennraums kann begrenzt werden, und eine Überhitzung des Düsenhauptkörpers jeder innerhalb des Brennraums angeordneten Kraftstoffeinspritzdüse kann verhindert werden und eine gute Zerstäubung des Kraftstoffs kann erreicht werden, indem die Verdampfung des Kraftstoffs innerhalb des Düsenhauptkörpers der Kraftstoffeinspritzdüse begrenzt wird.
Entsprechend wird der Zerstäubungszustand infolge der Verdampfung des alkoholischen Kraftstoffs, wie er innerhalb der Kraftstoffeinspritzdüsen zur Zeit hoher Temperatur, wie während der Vollast eintritt, nicht abnormal, sondern es kann eine Zerstäubung durch die Kraftstoffeinspritzdüse normal bewirkt werden und Zündung und Verbrennung des Kraftstoffs, die daraus folgen, können glatt durchgeführt werden. Daher tritt ein Abfall des Ansaugwirkungsgrades infolge der übermäßig hohen Temperatur jedes Brennraums, des Verbindungskanals und der Hauptverbrennungskammer nicht auf.
Der Vorsprung, der den Mittelabschnitt des Verbindungskanals verschließt, wenn der Kolben bei seinem Anstieg einen ringförmigen Durchlaß bildet, und darüber hinaus die scharfe Kante am Ende des Verbindungskanals stellen sicher, daß Ansaugluft, die aus jeder Hauptbrennkammer in jeden Brennraum durch den Verbindungskanal einströmt, eine turbulente Einspritzströmung wird. Diese gedrückte oder gequetschte Strömung kreuzt den eingespritzten Kraftstoff und bildet einen Wirbel rings um den Düsenhauptkörper und infolgedessen eine gute Kraftstoff-Luftmischung, und die Ansauglauft und der alkoholische Kraftstoff können auf diese Weise eine gute Mischung bilden.
Die beschriebene Ausführungsform sieht auch eine Reduktion des Luft-/Kraftstoffverhältnisses vor. Die Hauptverbrennung wird innerhalb jedes Brennraums bewirkt und die Bildung von NOx ist begrenzt. Eine Flamme aus dem Brennraum, die in jede Hauptverbrennungskammer geblasen wird, stößt keinen unverbrannten Kraftstoff oder Zwischenprodukte in einem Auslaßhub aus, auch wenn der aus den Kraftstoffeinspritzdüsen zur Wandfläche des Verbindungskanals eingespritzte Alkoholkraftstoff an der Wandfläche haftet, da dieser anhaftende Kraftstoff verbrannt wird und reagiert, wenn die Flamme ausgeblasen wird.
Der erfindungsgemäße Alkoholmotor mit Brennraum kann nicht nur in einem Viertaktbetrieb mit einem Ansaughub, einem Kompressionshub, einem Expansionshub und einem Auslaßhub, sondern auch in einem Zweitaktbetrieb betrieben werden, bei welchem das Luft-/Kraftstoffverhältnis innerhalb der Brennräume im Zweitaktbetrieb durch Begrenzung der Ansaugluftmenge reduziert wird, wodurch die Emission von NOx vermindert wird.
Vorzugsweise sind die rings um den Spitzenteil des Düsenhauptkörpers der Kraftstoffeinspritzdüsen gebildeten mehrstufigen Einspritzöffnungen an Stellen zwischen 1/2 und 3/4 der vollen Länge des Brennraums von einer oberen Wandfläche des Brennraums aus angeordnet, die der Innenwandfläche des Brennraums gegenüberliegt. Gemäß dem Aufbau wird in der Gleit- oder Schlupfströmung innerhalb des Brennraums ein Raum gebildet, in dem die Zerstäubung des Alkohols, seine Vermischung mit und Diffusion in der Ansaugluft ideal durchgeführt werden können; ferner wird die Turbulenz der Mischung des zerstäubten Kraftstoffs und der in den Brennraum eingepreßten Ansaugluft rings um den Düsenhauptkörper gefördert, die Verdampfung/Mischung kann hervorragend durchgeführt werden und und infolgedessen kann eine ausgezeichnete Verbrennung erreicht werden. Dadurch kann eine Emission von unverbranntem Kraftstoff oder Zwischenprodukten verhindert und die Bildung von NOx begrenzt werden, indem die Hauptverbrennung innerhalb des Brennraums bewirkt wird.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Alkoholmotors mit Brennraum wird beispielhaft mit Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, in der zeigt:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Alkoholmotors mit Brennraum;
Fig. 2 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Kraftstoffeinspritzdüsen, die beim Alkoholmotor mit Brennraum gemäß Fig. 1 verwendet werden; und Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 2.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Alkoholmotors mit Brennraum. Dieser Alkoholmotor mit Brennräumen weist Hauptverbrennungskammern 1, Brennraumblöcke 20 zur Bildung oberhalb der Hauptverbrennungskammern 1 angeordneter Brennräume 2 sowie Kraftstoffeinspritzdüsen 4 auf, deren Einspritzöffnungen 17 in der Mitte der Brennräume 2 münden. Jeder Brennraumblock 20 ist in einer in einem Zylinderkopf 3 ausgebildeten Ausnehmung 9 angeordnet und besitzt einen wärmeisolierenden Aufbau. Der Zylinderkopf 3 ist auf einem Zylinderblock 8 über eine Dichtung befestigt. Zylinder bildende Zylinderlaufbüchsen 10 sind in die Ausnehmungen 32 im Zylinderblock 8 eingepaßt.
Jede Hauptverbrennungskammer 1 ist durch den Zylinder gebildet und durch den Bereich begrenzt, der vom Zylinderkopf-Unterflächenteil des Zylinderkopfes 3, der Zylinderlaufbüchse 10 und der Kolbenkopfoberfläche des Kolbens 11 eingeschlossen wird. Daher sind die die Hauptverbrennungskammer 1 bildenden Flächen, d.h. der Zylinderkopf-Unterflächenteil, die Zylinderlaufbüchse 10 und der Kolbenkopfteil des Kolbens 11, vorzugsweise aus keramischem Material mit hoher Wärmebeständigkeit, hoher Korrosionsbeständigkeit und hoher Alkoholbeständigkeit hergestellt.
Ein Verbindungskanal 16, der jede Hauptverbrennungskammer 1 mit jedem Brennraum 2 verbindet, ist im Unterflächenteil des Zylinderkopfs 3 mit einem warmeisolierenden Aufbau ausgebildet. Ein abgeschnittener Teil, oder mit anderen Worten, eine scharfe Kante 27 ist am Ende des mit dem Brennraum 2 verbundenen Verbindungskanals 16 gebildet und wandelt die Luftströmung, die aus dem Verbindungskanal 16 in den Brennraum 2 einströmt, in eine hineingedrückte turbulente Druck- oder Quetschströmung um. Bei diesem Alkoholmotor mit Brennraum ist ein Auslaßkanal 14 im Zylinderkopf 3 gebildet und ein Auslaßventil 13 ist in diesem Auslaßkanal 14 derart angeordnet, daß es geöffnet und geschlossen wird, während es durch eine Ventilführung geführt wird. Dieser Alkoholmotor mit Brennraum wird als Zweitakt-Motor betrieben und ein Einlaßkanal 15 ist im unteren Abschnitt des Zylinderblocks 8, in den die Zylinderlaufbüchse 10 eingepaßt ist, ausgebildet. Es ist natürlich möglich, diesen Alkoholmotor als Viertakt-Motor zur bauen, indem der Einlaßkanal im Zylinderkopf ausgebildet wird, obwohl dies in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Glühkerzen oder Zündkerzen sind in der Zeichnung nicht dargestellt, sie können jedoch an geeigneten Stellen, wie in den Brennräumen 2 oder in den Verbindungskanälen 16, angeordnet werden, um das Kraftstoff-Luftgemisch zu zünden.
Dieser Alkoholmotor mit Brennraum ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß in demselben Kraftstoffeinspritzdüsen 4 zum Einspritzen des alkoholischen Kraftstoffs angeordnet sind, die jeweils einen Düsenhauptkörper 19, der sich zum Mittelabschnitt jedes Brennraums 2 erstreckt, sowie in mehreren Stufen angeordnete Vielfach-Einspritzöffnungen 17 rings um den Düsenhauptkörpder 19 aufweisen. Jede Kraftstoffeinspritzdüse 4 ist am Zylinderkopf 3 über einen Wärmeabschirmzylinder 23 befestigt und da der Düsenhauptkörper 19, in welchem ein Nadelventil angeordnet ist, das wärmeisolierende Organ 5 und ein den Brennraum 2 bildendes Innenwandorgan 7 durchdringt, ist der Düsenhauptkörper 19 im Mittelabschnitt des Brennraumns 2 angeordnet. Dieser Hauptdüsenkörper 19 erstreckt sich zum Mittelabschnitt des Brennraums 2 und weist die Vielfach-Einspritzöffnungen 17 auf, die im vorderen Umfangsbereich 30 des Düsenhauptkörpers 19 ausgebildet sind und derart münden, daß sie der inneren Umfangswandfläche des Brennraums gegenüberliegen. Die Stellung der Einspritzöffnungen 17 ist vorzugsweise so angeordnet, daß sie l/2 bis 3l/4 von der oberen Fläche 29 des Brennraums 2 entfernt sind, wobei Z die Höhe von der oberen Fläche 29 des Brennraums 2 bis zur Kante 27 des Verbindungskanals 16 an der unteren Fläche darstellt.
Wenn in dem Alkoholmotor mit Brennraum die Stellungen der Einspritzöffnungen 17 der Kraftstoffeinspritzdüse 4 in der oben beschriebenen Weise eingestellt werden, so wird in der Gleit- oder Schlupfströmung innerhalb des Brennraums 2 ein Raum gebildet, und eine Zerstäubung des Alkoholkraftstoffs, seine Vermischung und Diffusion in der Ansaugluft können ideal durchgeführt werden. Ferner wird die Kraftstoffeinspritzzeit der Kraftstoffeinspritzdüse 4 vor dem oberen Totpunkt des Kompressionshubes eingestellt. Wenn der aus den Kraftstoffeinspritzdüsen 4 eingespritzte Alkoholkraftstoff auf die Innenwandfläche des Innenwandorgans 7 des Brennraums 2 in dem Zustand auftrifft, in dem die Verbrennung heftig wird und die Wandtemperatur des Brennraums 2 hoch ist, platzt und zerspritzt der alkoholische Kraftstoff, wenn die Wandtemperatur 300ºC oder höher ist, und diese Kraftstoffzerstäubung vermischt sich insgesamt ausgezeichnet mit der Ansaugluft. Wenn andererseits die Wandtemperatur niedrig ist, kann eine gute Vermischung mit der Ansaugluft infolge der Kollisionsenergie des eingespritzten Alkoholkraftstoffs erzielt werden. Ein Vorsprung 12 ist am Kolbenkopf jedes Kolbens 11 gegenüber dem Verbindungskanal 16 ausgebildet. Dementsprechend wird der Durchlaß des Verbindungskanals 16 an oder nahe dem oberen Totpunkt des Kompressionshubes durch den Vorsprung 12 ringförmig verengt, wenn der Kolben 11 ansteigt. Daher bildet der aus jeder Kraftstoffeinspritzdüse 4 vor dem oberen Totpunkt des Kompressionshubes zerstäubte alkoholische Kraftstoff ein gutes Kraftstoff-Luftgemisch mit der Ansaugluft, die als eine geguetschte Strömung in den Brennraum 2 gedrückt wird. Da ferner der Düsenhauptkörper 19 durch den Mittelabschnitt des Brennraums 2 eindringt, wird eine gute Turbulenz rings um den Düsenhauptkörper 19 ausgebildet.
Bei diesem Alkoholmotor mit Brennraum weist der Brennraumblock 20, der den wärmeisolierenden Aufbau des Brennraums 2 bildet, das wärmeisolierende Organ 5 aus einem Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit, wie Aluminiumtitanat, Kaliumtitanat oder Natriumtitanat, einen metallischen Außenzylinder 6, der auf den Außenumfang dieses wärmeisolierenden Organs 5 aufgepaßt ist, und ein dünnes Innenwandorgan 7 auf, das auf der Innenfläche des wärmeisolierenden Organs 5 angeordnet ist und aus einem hitze- und alkoholbeständigen keramischen Material, wie Siliziumnitrid (Si&sub3;N&sub4;), Siliziumkarbid (SiC) oder einem zusammengesetzten Material, besteht. Der metallische Außenzylinder 6 ist auf den Außenumfang des wärmeisolierenden Organs 5 durch Aufschrumpfen aufgebracht und stellt die Festigkeit des Brennraumblocks 20 sicher. Ferner kann das wärmeisolierende Organ 5 veranlaßt werden, als ein Puffermaterial zum Absorbieren des Aufpralls zu wirken, der auf das Innenwandorgan 7 im Zeitpunkt der Explosion ausgeübt wird, indem es aus einem Material mit einem niedrigen Elastizitätsmodul hergestellt wird. Der wärmeisolierende Aufbau des Verbindungskanals 16 wird als Ausdehnung des Brennraums 2 und in der gleichen Weise wie der wärmeisolierende Aufbau des Brennraums 2 gebildet.
Bei diesem Aufbau sind der Brennraum 2 und das Innenwandorgan 7, welche den Verbindungskanal 16 bilden, als ein Bauteil ausgebildet, in dem dünne Keramikfasern, wie Siliziumkarbid (Sic), Siliziumnitrid (Si&sub3;N&sub4;), mit Pulver synthetisiert werden, ihre ganze Außenfläche mit dem wärmeisolierenden Organ 5 abgedeckt und sie so angeordnet werden, daß sie nicht in direkte Berührung mit dem metallischen Außenzylinder 6 und mit dem Zylinderkopf 3 kommen. Ferner wird der Hülsenaufbau des Innenwandorgans 7 durch einstückiges Formen des Innenwandorgans 7 mit dem außerhalb desselben angeordneten wärmeisolierten Organ 5 gebildet. Dementsprechend können der Brennraum 2 und der Verbindungskanal 16 einen stark wärmeisolierenden Aufbau ergeben, und die Wärmeenergie innerhalb des Brennraums 2 und des Verbindungskanals 16 können zuverlässig innerhalb derselben gehalten werden. Wenn der Brennraum 2 und das Innenwandorgan 7 des Verbindungskanals 16 mit geringer Dicke und in dem wärmeisolierten Außenflächenaufbau ausgebildet werden, können das Ansprechen oder das Vermögen der Temperatur des Gemischs aus Einlaßluft und dem alkoholischen Kraftstoff, das in das Innenwandorgan 7 einströmt, sowie der Verbrennungstemperatur zu folgen, verbessert werden. Ferner wird der Brennraum 2 sofort auf eine höhere Temperatur angehoben, die für Verdampfungsverbrennung durch Brenngas in der Zeit niedriger Temperatur, wie beim Start der Verbrennung, Teillastbetrieb usw., geeignet ist. In der Zeit hoher Temperatur, wie im Vollastbetrieb, wird der Brennraum 2 unmittelbar durch die Zerstäubung des alkoholischen Kraftstoffs aus den Kraftstoffeinspritzdüsen 4 abgekühlt und gleichermaßen auf die für die Verdampfungsverbrennung geeignete Temperatur gebracht. Entsprechend können die Innenwandtemperatur des Brennraums 2 und des Verbindungskanals 16 stets auf der optimalen Temperatur zur Verdampfung des alkoholischen Kraftstoffs gehalten werden.
Dieser Alkoholmotor mit Brennraum kann im Zweitakt- und im Dieselmotorbetrieb betrieben werden, indem die Ansaugluft aus den Ansaugkanälen 15 im unteren Abschnitt des Zylinderblocks 8 genommen wird. Wenn die Einlaßluftmenge auf diese Weise begrenzt wird, kann das Luft-/Kraftstoffverhältnis innerhalb des Brennraums 2 reduziert und die Bildung von NOx begrenzt werden, indem die Hauptverbrennung innerhalb des Brennraums 2 bewirkt wird. Ferner wird die Flamme aus dem Brennraum 2 in die Hauptverbrennungskammer 1 nach der Verbrennung innerhalb des Brennraums 2 ausgeblasen. Sogar wenn daher der alkoholische Kraftstoff an der Wandfläche 18 des Verbindungskanals 16 anhaftet, wird dieser anhaftende Kraftstoff verbrannt und reagiert im Zeitraum des Ausblasens der Flamme, so daß unverbrannter Kraftstoff und Zwischenprodukte während des Auslaßhubes nicht ausgeblasen werden.
Als nächstes wird ein Beispiel der Brennstoffeinspritzdüse 4, die für diesen Alkoholmotor mit Brennraum verwendet wird, mit Bezugnahme auf Figuren 2 und 3 beschrieben. Fig. 2 ist ein Schnitt, der ein Beispiel einer Kraftstoffeinspritzdüse 4 zeigt, die in diesem Alkoholmotor mit Brennraum verwendet wird, und Fig. 3 zeigt einen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 2. Diese Kraftstoffeinspritzdüse 4 weist einen Düsenhauptkörper 19, der im Brennraum 2 angeordnet ist, und ein Nadelventil 31 auf, das sich innerhalb des Düsenhauptkörpers 9 auf und ab bewegen kann. Da der Düsenhauptkörper 19 und das Nadelventil 31 innerhalb der Verbrennungskammer des Brennraums 2 angeordnet sind, bestehen sie aus einem hoch hitzebeständigen und alkoholbeständigen keramischen Material, wie Siliziumnitrid (Si&sub3;N&sub4;), Siliziumkarbid (SiC) oder einem zusammengesetzten Material. Ein wärmeisolierendes Organ 24, das aus Keramikfasern, wie Zirkondioxidfasern, besteht, ist auf der Außenfläche des Düsenhauptkörpers 19 angeordnet, wie in Fig. 1 gezeigt, und ein Hitzeabschirmorgan 25 aus einem Kermamikmaterial, wie Siliziumnitrid (Si&sub3;N&sub4;), Siliziumkarbid (SiC), ist auf der Außenfläche des wärmeisolierenden Organs 24 durch chemische Aufdampfung (CVD), Anformen oder dergl., aufgebracht, um die Hitzebeständigkeit weiter zu verbessern. Wenn die Kraftstoffeinspritzdüse 4 aus dem oben beschriebenen Material besteht, bieten die Gleitbewegung, das Mischen mit Wasser, die hohe Temperatur und dergl. keinerlei Probleme. Ein Kraftstoffkanal 21 ist zwischen der der Innenwandfläche des Düsenhauptkörpers 19 und der Außenfläche des Nadelventils 31 gebildet. Ein Düsensack 22 als Kraftstoffstützteil und die Einspritzöffnungen 17 zum Einspritzen des in diesem Düsensack 22 befindlichen Kraftstoffs nach außen sind an der Spitze des Düsenhauptkörpers 19 gebildet. Wenn daher das Nadelventil 31 sich bezüglich des Düsenhauptkörpers 19 infolge des Einspritzdrucks der Kraftstoffeinspritzpumpe (nicht gezeigt) gegen die Federkraft nach oben bewegt, werden der Kraftstoffkanal 21 und der Düsensack 22 miteinander verbunden, so daß alkoholischer Kraftstoff durch die Einspritzöffnungen 17, die in einer mehrstufigen Vielfach-Einspritzanordnung derart angeordnet sind, daß sie den ganzen Außenumfang des Düsenhauptkörpers 19 umfassen, gleichförmig verteilt und zerstäubt wird.
Die Einspritzöffnungen 17 der Kraftstoffeinspritzdüsen 4, die für diesen Alkoholmotor mit Brennraum verwendet werden, müssen so angeordnet sein, daß eine Zerstäubung mit im wesentlichen gleichförmiger Verteilung innerhalb der Brennräume 2 stattfinden kann. Je größer daher die Anzahl von Einspritzöffnungen 17 im Düsenhauptkörper 19 ist, desto gleichförmiger wird die Zerstäubung, wenn jedoch eine große Anzahl von Einspritzöffnungen in der gleichen Schnittebene angeordnet wird, kann der Düsenhauptkörper 19 leicht brechen oder beschädigt werden, und die Bohrarbeit des Formens der Einspritzöffnungen im Düsenhauptkörper 19 wird schwieriger. Um die Einspritzöffnungen 17 der Kraftstoffeinspritzdüsen 4 im Düsenhauptkörper 19 in der Vielfach-Einspritzanordnung auszubilden, werden daher die Einspritzöffnungen in mehreren Stufen ausgebildet, indem ihre Stellungen in Axialrichtung des Düsenhauptkörpers voneinander abweichen. Mit anderen Worten, die in den Kraftstoffeinspritzdüsen 4 ausgebildeten Einspritzöffnungen 17 werden rings um den ganzen Umfangswandteil und darüber hinaus in einer mehrstufigen Vielfach-Einspritzanordnung ausgebildet. In der Zeichnung sind die Einspritzöffnungen in zwei Stufen in Axialrichtung des Düsenhauptkörpers 19 ausgebildet (siehe Fig. 2), und vier Einspritzöffnungen sind in jeder Stufe ausgebildet (siehe Fig. 3).
Die Bohrarbeit des Herstellens der Einspritzöffnungen im Düsenhauptkörper 19 kann erleichtert werden, wenn die Anzahl von auf der gleichen Achse auszubildenden Öffnungen, d.h. in der gleichen Schnittebene, geradzahlig ist. Zum Beispiel können vier, sechs, acht, zehn oder zwölf Einspritzöffnungen oder dergl. durch Durchführung eines Drahtes 28 durch den Spitzenteil 30 des Düsenhauptkörpers 19 gebohrt werden, und in diesem Fall werden die Einspritzöffnungen derart gebildet, daß sie einander gegenüberliegen. Insbesondere bei der Bohrarbeit zum Ausbilden der Einspritzöffnungen im Düsenhauptkörper 19 aus Keramikmaterial kann eine Drahtbearbeitung mittels Durchführen des Drahtes 28 durch den Düsenhauptkörper 19 durchgeführt werden, und die Genauigkeit der Einspritzöffnungen an sich kann verbessert werden. Da ferner die Einspritzöffnungen symmetrisch ausgebildet werden können, können die Stellungen der Einspritzöffnungen gleichmäßig angeordnet werden, und die Zerstäubung des alkoholischen Kraftstoffs kann gleichförmiger gemacht werden.

Claims

1. Alkoholmotor mit: einem Zylinder und Hauptverbrennungskammern (1) innerhalb der Zylinder bildenden Zylinderblock (8), einem am Zylinderblock (8) befestigten Zylinderkopf (3), innerhalb der jeweiligen Zylinder hin und her bewegbaren Kolben (11), im Zylinderkopf (3) angeordneten, Brennräume (2) enthaltenden und einen wärmeisolierten Aufbau besitzenden Brennraumblöcken (20), zwischen den Hauptverbrennungskammern (1) und den Brennräumen (2) angeordneten Verbindungskanälen (16), und Kraftstoffeinspritzdüsen (4), die sich in jeweilige Brennräume (2) erstrecken und mit ihren Einspritzöffnungen (17) in die Brennräume (2) münden;

dadurch gekennzeichnet:

daß die Verbindungskanäle (16) einen wärmeisolierten Aufbau besitzen und mit zu den Brennräumen hinweisenden scharfen Kanten (27) versehen sind, und die Kolben (11) jeweils mit Vorsprüngen (12) an ihren Oberteilen an Stellen versehen sind, die mit den Verbindungskanälen (16) ausgerichtet sind, so daß die Vorsprünge in die Verbindungskanäle (16) vorragen und ringförmige Durchlässe mit den Wänden der Verbindungskanäle (16) bilden, wenn sich die Kolben im Bereich ihrer obersten Stellung befinden, wodurch Einlaßluft, die von den Hauptverbrennungskammern (1) in die Brennräume (2) durch die Verbindungskanäle (16) strömt, eine gedrückte Strömung bildet; und daß die Kraftstoffeinspritzdüsen (4) jeweils einen Düsenhauptkörper (19), der sich zu einem Mittelabschnitt des Brennraums (2) erstreckt, und eine Anzahl von EinspritzÖffnungen (17) aufweist, die rings um eine Spitze (30) des Düsenhauptkörpers (19) ausgebildet sind und gegenüber einer inneren Umfangswandfläche des Brennraums (2) münden, wodurch Alkoholkraftstoff, bei Betrieb durch die Einspritzöffnungen (17) zerstäubt, von den Düsenspitzen (30) in die Brennräume radial nach außen geschleudert wird, so daß sich die Kraftstoffströmung und die gedrückte Luftströmung (26) allgemein rechtwinklig schneiden, um eine Vermischung zwischen Kraftstoff und Luft zu bewirken.

2. Alkoholmotor nach Anspruch 1, bei welchem die Brennraumblöcke (20) jeweils einen dünnen keramischen Innenwandteil (7), der eine Wandfläche des Brennraums (2) und den Verbindungskanal (16) bildet, einen auf der Außenfläche des Innenwandteils (7) angeordneten wärmeisolierenden Teil (5) und ein äußeres metallisches zylindrisches Rohr (6) aufweisen, das rings um den Außenumfang des wärmeisolierten Teils (5) angeordnet ist.

3. Alkoholmotor nach Anspruch 2, bei welchem die in sich die Brennräume (12) bildenden Innenwandteile (7) aus Siliziumkarbid bestehen.

4. Alkoholmotor nach Anspruch 2, bei welchem die in sich die Brennräume (2) bildenden Innenwandteile aus Siliziumnitrid bestehen.

5. Alkoholmotor nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem jeder Düsenhauptkörper (19) der Kraftstoffeinspritzdüsen (4) aus Siliziumkarbid besteht.

6. Alkoholmotor nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der Düsenhauptkörper (19) der Kraftstoffeinspritzdüsen (4) aus Siliziumnitrid besteht.

7. Alkoholmotor nach Anspruch 2, bei welchem der wärmeisolierende Teil (5) des Brennraumblocks (20) aus niedrige Wärmeleitfähigkeit besitzendem Aluminiumtitanat besteht.

8. Alkoholmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem jede Kraftstoffeinspritzdüse (4) Einspritzöffnungen (17) aufweist, die rings um den Spitzenteil (30) des Düsenhauptkörpers (19) in mehreren Stufen entlang der Längserstreckung des Spitzenteils (30) ausgebildet und derart angeordnet sind, daß der aus den mehrstufigen Einspritzöffnungen (17) eingespritzte Alkoholkraftstoff von der Düse (4) radial nach außen gegen die Innenwandfläche des Brennraums (2) geschleudert wird und die Luftströmung schneidet, die in den Brennraum (2) durch den ringförmigen Durchlaß einströmt, wodurch die Vermischung zwischen Kraftstoff und Luft gefördert wird.

9. Alkoholmotor mit Brennraum nach Anspruch 8, bei welchem die rings um den Spitzenteil (30) des Düsenhauptkörpers (19) der Kraftstoffeinspritzdüsen (4) gebildeten mehrstufigen Einspritzöffnungen (17) an Stellen zwischen 1/2 und 3/4 der vollen Länge des Brennraums (2) von einer oberen Wandfläche des Brennraums aus angeordnet sind.