DE69601136T2

DE69601136T2 - Vorrichtung zur Verbesserung des Verbrennungsvorganges in einer Hubkolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69601136T2
Application number: DE69601136T
Authority: DE
Inventors: Ingemar 66580 Kuni Nylund
Original assignee: Wartsila NSD Oy AB
Current assignee: Wartsila NSD Oy AB
Priority date: 1995-02-15
Filing date: 1996-02-14
Publication date: 1999-06-02
Anticipated expiration: 2016-02-15
Also published as: NO307103B1; EP0727571B1; NO960578L; NO960578D0; ATE174660T1; FI102558B1; FI950678L; FI950678A0; DE69601136D1; EP0727571A1; FI102558B

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verbesserung (bzw. Steigerung der Leistungsfähigkeit) des Verbrennungsvorganges in einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere in einer Gasmaschine, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
In dieser Beschreibung bezieht sich der Ausdruck "Gasmaschine" auf eine Verbrennungsmaschine, in der der verwendete Basisbrennstoff ein gasförmiger Brennstoff ist, beispielsweise Erdgas. Wenn die Maschine auf der Basis des Otto-Prinzips funktioniert und die Basisbrennstoffmischung in dem Zylinder mager ist, ist die Maschine als sogenannte Magerbrennmaschine bekannt. In einigen Magerbrennmaschinen wird der gasförmige Basisbrennstoff mit der Einlaßluft in den Zylinder gebracht. Der Brennstoff kann ebenso durch eine separate Einspritzventilvorrichtung teilweise oder völlig, direkt in den Zylinder geführt werden. Zur Zündung oder zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Maschine kann die Basismischung bei Bedarf mittels einer Einspritzvorrichtung durch in den Zylinder zusätzlich zugeführten Brennstoff angereichert werden, der entweder Gasbrennstoff oder Flüssigbrennstoff mit besseren Zündungseigenschaften ist. Von den Umständen abhängig, kann eine Zündung durch einen Funken erreicht werden, der durch eine separate Zündungsvorrichtung erzeugt wird, durch eine Selbstzündung, die bei hohem Druck auftritt, oder durch die Verwendung von beispielsweise einem Glühelement, das in dem Zylinder angeordnet ist. Die Zündung kann bei Bedarf in einer Vorkammer des Zylinders erzeugt werden. Um eine Zündung zu erzeugen und/oder dessen genauen Zeitpunkt zu steuern, kann die Brennstoffzufuhr in den Zylinder mittels mehrerer Ventile stattfinden. Für solche Lösungen kann beispielsweise Bezug auf die Veröffentlichungen US-A-5,060,610 und US-A-5,144,924 genommen werden.
In modernen Magerbrenngasmaschinen wird eine große Überschußmenge an Luft (der sogenannte Lambda-Parameter) verwendet. In Maschinen mit einer Vorkammer beträgt der Lambda-Parameter gewöhnlich 2 bis 2, 2 und in Maschinen ohne einer Vorkammer liegt der Lambda-Parameter in einer Größenordnung von 1,4 bis 1,7. Ein Vorteil einer großen Überschußmenge an Luft ist, daß die Erzeugung an Stickoxyden (NOx) gemindert wird. Ein Nachteil ist die geringere Geschwindigkeit der Verbrennung, die auf der einen Seite die Leistungsfähigkeit der Maschine vermindert, und auf der anderen Seite den Anteil an unverbrannten Kohlenwasserstoffen vergrößert, die mit den Abgasen entweichen. Die Verwendung einer großen Überschußmenge an Luft kann auch in einer unbeabsichtigten Fehlzündung resultieren, die des weiteren die Leistungsfähigkeit vermindert und das Problem bezüglich der unverbrannten Kohlenwasserstoffe vergrößert.
Um diese Nachteile zu minimieren, kann man in dem Gasgemisch in dem Brennraum Turbulenz erzeugen, wobei zwischen einer Bewegung in der radialen Richtung und einer Drehbewegung um das Zentrum des Brennraumes unterschieden werden kann. Erstere kann durch eine Maßnahme erzeugt werden, den Abstand vom Rand der oberen Kolbenoberfläche zum Zylinderkopf zu minimieren. Letztere kann erhalten werden, indem der Einlaßluftstrom so angeordnet ist, bezogen auf den Brennraum des Zylinders tangential aufzutreten.
Der Einbau eines separaten ringförmigen Stückes in den Zylinder einer Maschine ist als solches, beispielsweise aus den Patentveröffentlichungen DE-C 37 06 592, GB-A-689 585 und FI-C-16413, bekannt. Mittels dieser bekannten Stücke ist es möglich, ein Maß an Turbulenz in dem Brennraum zu erzeugen. US-A-2,676,580 zeigt des weiteren ein in den Brennraum einzubauendes separates Stück mit dem Zweck auf, die Kompressionsrate der Maschine zu erhöhen. US-A-2,172,170 beschreibt einen Zylinderkopf, auf dem ein ringförmiger Flansch oder eine Schürze ausgebildet ist, der bzw. die in den Zylinder über den Zylinderkopf hinaus hervorsteht.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine neu entwickelte vorteilhafte Anordnung zu schaffen, den Verbrennungsprozeß zu verbessern, insbesondere in Gasmaschinen, die auf der Basis des Magerbrennprinzips funktionieren. Eine weitere Aufgabe ist es, das oben erwähnte Phänomen der Turbulenz in dem Brennraum eines Zylinders zu nutzen und zu aktivieren, und eine Lösung zu schaffen, die eine weniger komplizierte und sichere Bauweise als die bekannten Anordnungen zeigt.
Die Aufgaben der Erfindung können durch die Anordnung erreicht werden, wie sie im Anspruch 1 und den untergeordneten Ansprüchen beschrieben sind. Gemäß der Erfindung ist das Profilelement in einer axialen Richtung des Zylinders zumindest im wesentlichen L-förmig, so daß es einen ersten Anteil enthält, der an der Zylinderlaufbuchse unterstützt ist und sich in der axialen Richtung des Zylinders über die obere Manteloberfläche des Kolbens erstreckt, die an der Zylinderlaufbuchse geführt ist, wenn der Kolben an seinem oberen Totpunkt ist, und einen zweiten Anteil aufweist, der sich in der radialen Richtung des Zylinders zum Zentrum des Brennraumes teilweise über die Oberfläche des oberen Endes des Kolbens erstreckt. Auf diese Weise kann in einer einfachen Weise eine wirksame Bewegung des Gasgemisches in die radiale Richtung in dem Brennraum des Zylinders erreicht werden. Zugleich wird durch ein wesentliches Verkleinern des Durchmessers des Brennraumes die Temperatur an seinen Randteilen erhöht, was die Reaktionsgeschwindigkeit und daher die Verbrennungsgeschwindigkeit erhöht. Da ein separates Profilelement in Gestalt gemäß der Erfindung verwendet wird, wird eine zuverlässige und kompakte Bauweise in Kombination mit einer wirksamen Führung des Gasgemisches erhalten. Die Bauweise macht es des weiteren möglich, eine unkomplizierte Form des Zylinderkopfes an der Stelle der Zylinderlaufbuchse und der Brennkammer einzusetzen, das auch aus Sicht der Herstellungskosten vorteilhaft ist.
Der erste Anteil des Profilelementes, der sich in der axialen Richtung des Zylinders erstreckt, kann vorteilhaft so angeordnet sein, sich an der Stelle des oberen Kolbenanteiles radial zum Zentrum des Zylinders zu erstrecken, wobei eine Manteloberfläche des oberen Teiles des Kolbens mit einer entsprechenden Stufe versehen ist, die dem ersten Anteil des Profilelementes entspricht. In dieser Anordnung kann der Kolben vorteilhaft mit einer Anzahl von Durchgängen versehen sein, die den oben erwähnten Stufenanteil des Kolbens mit der oberen Oberfläche des Kolbens verbinden. Diese Durchgänge können so angeordnet sein, daß sie sich in einem schiefen Winkel in den Randbereich des Brennraumes öffnen, so daß bei Annäherung des Kolbens an seinen oberen Totpunkt, das sie durchströmende Gasgemisch eine Strömung des Gasgemisches in dem Brennraum um das Zentrum des Brennraumes verursacht, was desweiteren die Wirksamkeit des Turbulenzphänomens und daher den technischen Effekt der Erfindung vergrößert.
Das Profilelement kann sich in der radialen Richtung des Zylinders zumindest teilweise in die Bereiche zwischen den Ventilen des Zylinders erstrecken, was des weiteren den Durchmesser des Brennraumes verkleinert und die Verbrennung beschleunigt.
Das Profilelement kann zumindest teilweise gegen die Zylinderlaufbuchse und/oder den Zylinderkopf thermisch isoliert sein, was dementsprechend die Temperatur der Wände des Brennraumes erhöht und damit die Verbrennung weiter beschleunigt.
Das Profilelement ist vorteilhaft aus keramischem Material hergestellt, wodurch es höheren Temperaturen besser widersteht.
Die Erfindung wird im folgenden mittels Beispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 ein Querschnitt in der axialen Richtung eines Maschinenzylinders ist, in der eine Ausführung der Erfindung integriert ist;
Fig. 2 ein Querschnitt in der axialen Richtung eines Maschinenzylinders ist, in dem eine zweite Ausführung der Erfindung integriert ist;
Fig. 3 ein Schnitt entlang der Schnittlinie III-III von Fig. 2 ist;
Fig. 4 ein Querschnitt in der axialen Richtung eines Maschinenzylinders ist, in dem eine dritte Ausführung der Erfindung integriert ist, und
Fig. 5 ein Schnitt entlang der Schnittlinie V-V von Fig. 4 ist.
In den Zeichnungen zeigt Referenznr. 1 einen Zylinderkopf einer Verbrennungsmaschine auf, 2 eine Zylinderlaufbuchse und 3 einen auf- und abwärts beweglichen Kolben in einem Zylinder einer Maschine. Zwischen dem Zylinderkopf 1 und der oberen Oberfläche des Kolbens 3 ist ein Brennraum 4, in den durch die Ventilvorrichtung 5 Brennstoff eingespritzt wird.
Gemäß der Erfindung ist zwischen der Zylinderlaufbuchse 2 und dem Zylinderkopf 1 ein ringförmiges Profilelement 6 angeordnet, das den Brennraum 4 umschließt und sich in der radialen Richtung (Anteil 6b) über den Rand des Kolbens 3 zum Zentrumbereich des Brennraumes 4 erstreckt und als eine Folge daraus den Brennraum 4 in seinen Randbereichen beschränkt. Ein Randanteil 3a der oberen Oberfläche des Kolbens ist so ausgebildet, der unteren Oberfläche des Profilelementes 6 zu entsprechen.
Die Funktion des Profilelementes 6 basiert auf der Wirkungswei se, daß der Randanteil 3a der oberen Oberfläche des Kolbens das Gasgemisch, das zwischen ihr und dem Profilelement 6 verbleibt, in den Zentrumbereich des Brennraumes 4 preßt, wie das durch Pfeil 9 gezeigt ist, wenn sich der Kolben 3 seinem oberen Totpunkt nähert, wie das in den Figuren gezeigt ist. Diese Strömung verursacht Turbulenz in dem Gasgemisch in dem Brennraum 4, die den Verbrennungsvorgang verbessert. Zugleich wird durch die Reduzierung des Durchmessers des Brennraumes 4 durch das Profilelement 6 die Temperatur in dessen Wänden erhöht. Als eine Folge daraus, wird der Verbrennungsprozeß beschleunigt und wirkungsvoller.
In der Ausführung von Fig. 1 ist das Profilelement 6 beispielsweise durch einen Preßsitz oder eine Schrumpfsitzpassung an die Zylinderlaufbuchse 2 befestigt. In der Praxis kann dann ein kleiner Zwischenraum zwischen dem Profilelement 6 und dem Randanteil 3a des Kolbens verbleiben.
Das Profilelement 6 enthält einen Anteil 6a, der von der Zylinderlaufbuchse 2 gestützt ist und sich in der axialen Richtung des Zylinders über die obere Oberfläche des Kolbens 3 erstreckt, wenn der Kolben 3 an seinem oberen Totpunkt ist. Zusätzlich kann der Anteil 6a mittels eines zu diesem Zweck geeigneten Elementes 8 zur Zylinderlaufbuchse 2 thermisch isoliert werden. Hierbei kann die Temperatur des besagten Randes des Brennraumes 4 weiter erhöht werden, um die Verbrennung wirkungsvoller zu machen. In einer entsprechenden Weise kann es bei Bedarf möglich sein, eine thermische Isolation auch zwischen dem Profilelement 6 und dem Zylinderkopf 1 vorzusehen.
In der Ausführung der Fig. 2 und 3 ist der sich radial erstreckende Anteil 6b des Profilelementes 6 so geformt, sich zumindest teilweise auch in den Raum zwischen den Ventilen 10 des Zylinders zu erstrecken, womit folglich das Volumen des Brennraumes 4 weiter reduziert und der Verbrennungsvorgang verbes sert wird.
In der Ausführung der Fig. 4 und 5 ist der axiale Anteil 6a des Profilelementes 6 an der Stelle des oberen Anteiles des Kolbens 3 vergrößert, um sich radial in Richtung des inneren Anteiles des Zylinders zu erstrecken. Dementsprechend enthält der obere Anteil der Manteloberfläche des Kolbens 3 eine Stufe 3b, die dem besagten Anteil 6a des Profilelementes entspricht. Zusätzlich enthält der Kolben 3 eine Anzahl von Durchgängen 11, die den Stufenanteil 3b des Kolbens mit der oberen Oberfläche des Kolbens 3 verbinden.
Wie es aus Fig. 5 ersichtlich ist, sind die Durchgänge 11 so angeordnet, in einem schiefen Winkel relativ zum Durchmesser D des Kolbens 3 zu öffnen, wie es im Querschnittplan des Zylinders zu sehen ist, wobei jeder dieser Durchgänge 11 in den Randbereich des Brennraumes 4 so öffnet, daß die Gasgemischströme 12, die durch sie aus dem Raum zwischen dem Profilelement 6 und dem Stufenanteil 3b gedrückt werden, eine zirkulare Strömung 13 des Gasgemisches in den Brennraum 4 um das Zentrum des Brennraumes 4 verursachen, wenn sich der Kolben seinem oberen Totpunkt nähert. Dies vergrößert weiter die Turbulenz in dem Brennraum 4 und verbessert folglich den Verbrennungsvorgang.

Claims

1. Vorrichtung zur Verbesserung des Verbrennungsvorganges in einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, die mindestens einen Zylinder hat, und die Vorrichtung ein separates Profilelement(6) enthält, das in Verbindung mit einer Zylinderlaufbuchse (2) zumindest teilweise zwischen der Zylinderlaufbuchse (2) und einem Zylinderkopf (1) eingebaut ist, wobei dieses Profilelement (6) angeordnet ist, einen Brennraum (4) des Zylinders in einer ringartigen Weise zu umfassen, für den Zweck, eine gasförmige Mischung des Brennstoffs aus dem Raum zwischen einem oberen Ende (3a) des Kolbens (3) und dem Profilelement (6) in die Richtung des Zentrums des Brennraumes (4) zu drücken, wenn sich der Kolben (3) zu seinem oberen Totpunkt bewegt, dadurch gekennzeichnet, daß das Profilelement (6) in jedem axialen Schnitt des Zylinders zumindest im wesentlichen L-förmig ist, so daß es einen ersten Anteil (6a) aufweist, der an der Zylinderlaufbuchse (2) getragen ist und sich in der axialen Richtung des Zylinders über die obere Manteloberfläche des Kolbens (3) erstreckt, die durch die Zylinderlaufbuchse (2) geführt wird, wenn der Kolben an seinem oberen Totpunkt ist, und einen zweiten Anteil (6b) aufweist, der sich in der radialen Richtung des Zylinders in Richtung des Zentrums des Brennraumes (4) zumindest teilweise über die oberste Endoberfäche (3a) des Kolbens (3) erstreckt, wodurch er den Brennraum (4) in seinem Randbereich an dem oberen Totpunkt des Kolbens (3) einschränkt.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine eine Gasmaschine ist.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte erste Anteil (6a) des Profilelementes (6) angeordnet ist, sich an der Stelle des oberen Anteiles des Kolbens (3) radial in Richtung des Zentrums des Zylinders zu erstrecken, daß die obere Manteloberfläche des Kolbens (3) entsprechend dem besagten ersten Anteil (6a) des Profilelementes (6) eine Stufe (3b) enthält, und daß der Kolben (3) eine Anzahl von Durchgängen (11) enthält, die den Stufenanteil (3b) des Kolbens mit der oberen Oberfläche des Kolbens (3) verbinden.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die besagten Durchgänge (11) angeordnet sind, in einem schiefen Winkel in den Randbereich des Brennraumes (4) zu öffnen, so daß bei Annäherung des Kolbens (3) an seinen oberen Totpunkt der resultierende Gasgemischstrom (12) durch diese Durchgänge einen Strom des Gasgemisches in dem Brennraum (4) um dessen Zentrum erzeugt.

5. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der zweite Anteil (6b) des Profilelementes (6) in der radialen Richtung des Zylinders zumindest teilweise in mindestens einen Raum zwischen den Ventilen (10) des Zylinders erstreckt.

6. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Profilelement (6) zumindest teilweise thermisch gegen die Zylinderlaufbuchse (2) und/oder den Zylinderkopf (1) isoliert ist.

7. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Profilelement (6) aus einem keramischen Material ist.