DE7505002U - Verbrennungsmotor mit geschichteter ladung - Google Patents
Verbrennungsmotor mit geschichteter ladungInfo
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Description
DR. WALTÜR ANC=HOi-.■
PiTENT/ \".,7ALT
8 M U N C: ι-; Ε Ν 81
PiTENT/ \".,7ALT
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WISSMANNSTRASSE 14
München, den 24. Sept. 76
Unser Zeichen : 46 - 1526
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92 10? Boulogne-Billancourt, Frankreich
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75016 Paris, Frankreich
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Verbrennungsmotor mit geschichteter Ladung
Die Neuerung betrifft einen Verbrennungsmotor mit geschichteter
Ladung, die einer, armen Hauptladungsteil aus einem ersten Brennstoff
unc Luft aufweist, sowie einen zweiten Ladungsteil, der einen 2>;eiten Brennstoff enthält, vorzugsweise Wasserstoff.
Eine geschichtete Ladung in einem Verbrennungsmotor ist eine Ladung,
welche wenigstens einen Bereich enthält, in dem das Brennstoff gemisch zündfthig ist. Die Zündfähigkeit hängt dabei ab vom
homogenen Mischungs/erhältnis von Luft zu Brennstoff bei einer gegebenen
Temperatur . τα bedeutet, daß sich in dem Brennstoffgemisch
eine Flarjne vor. eine. Zündpunkt mit oder ohne Zuführung äußerer
Energie, z.B. von einem Zündfunken, ausbreiten kann.
Es sind bereits vielfache Versuche unternommen worden, um Verbrennungsmotoren
mit geschichteter Ladung zu schaffen unter Verwendung von flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen, jedoch
ließ sich bisher keine wirksame Schichtung der Ladung erreichen. Eine derartige Schichtung besteht darin, in der Zündzone ein
Ladur.gsgemisch zu schaffen, welches ein für die Verbrennung richtiges
Mischungsverhältnis aufweist, wobei die durch die Verbrennung in der Zündzone erzeugte Energie ausreicht, um die Ausbreitung der
Flamme in den übrigen Teil der Ladung zu gewährleisten.
Bei Verwendung von flüssigen Kohlenwasserstoffen als Brennstoff
ist das optimale Mischungsverhältnis von Luft zu Brennstoff etwa 15:1 für eine gute Zündfähigkeit, etwa für übliche Funkenzündungen.
Es ist auch bekannt, daß jenseits eines Verhältnisses von 18 : 1 die Zündfähigkeit abnimmt und eine Zündung nur noch durch
eine Flamme gesichert ist.
Die Verwendung eines Brennstoffgemisches aus Lu.w und einem üblichen
flüssigen Brennstoff erfordert eine lange Aufbereitungszeit, da zur Entflammung des Gemisches drei Phasen unbedingt erforderlich
sind, nämlich:
- die Verdampfung des flüssigen Brennstoffes oder auch die
Zerstäubung,
die Homogenisierung des Gemisches, und
- die Erhöhung der Temperatur des Gemisches, bis auf einen Wert, der eine Flammausbreitung sicherstellt.
Da die Aüfbereitungszeit i:ti Vergleich zu der durch die Drehzahl
des Motors bestimmten Umdrehungszeit lang ist, muß die Erzeugung eines bis in die Nähe des stöchiometrischen Verhältnisses angereicherten
Ladungsteils genügend schnell stattfinden,, um die drei
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vorgenannten Bedingungen zu schaffen. Unter diesen Umständen ist es
sehr scl'wierig, eine Vermischung der beiden Ladungsteile, die ja
aneinandergrenzen, und also eine Anreicherung des arrer. Ladungsteils
und eine Verarmung des angereicherten Ladur.gsteils zu vci-e:de:i.
Eine weitere Schwierigkeit besteht in der unzulänglichen Yerd.?.r pfur.g
und Homogenisierung wegen der begrenzten zur Verfugung stehende:-. Zoi'
bei Verbrennungsmotoren mit Brennstoffeinspritzung ir. die ~yl ir-.uer:.
Die mangelhafte Verdampfung und Homogenisierung sird verantvortl ich
für die Schwierigkeiten, die bei Dieselmotoren auftreten, bei donor:
Einspritzdrücke von mehr als 150 Bar zum Zer^t-Subon des Brennstoffes
erforderlich sind. Wegen mangelhafter Homogenisierung ISßt sich -:ein
Betriebsbereich mit voller Ladung erreichen.
Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor mit geschichteter Ladung zu schaffen, der eine schnelle Bildung einer
zündfähigen und homogenen Ladungs: .ne ergibt und mit einem flüssigen
Kohlenwasserstoff als Hauptbrennstoff betrieben wird.
Die Lösung dieser Aufgabe ist gegeben durch eine in a.^r „ündzone
mündende Einspritzvorrichtung für einen zweiten Brennstoff, insbesondere Wasserstoff gas, zum Herstellen eines zündwilligeren Laci^r.gsgemisches
in der Zündzone unmittelbar vor der Zündung.
Der Vorteil bei der Verwendung von Wasserstoff zum Herstellen einer
angereicherten Gemischschicht besteht darin, daß Wasserstoff gasförmig ist und mit Luft in einem weiten Bereich des Mischungsverhältnisses,
nämlich von etwa 4 bis 75% Wasserstoffanteil in Luft
zündfähig ist. Andererseits behält Wasserstoffgas in Gegenwart von
Luft auch seine charakteristische Zündwilligkeit, wenn noch andere Brennstoffe zugegen sind.
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Aufgrund dieser Umstände kann eine Mischung von Luft und Wasserstoff
im Bereich des stöchiometrischen Verhältnisses nichc durch Diffusion
oder dgl. bis auf ein zündunwilliges Mischungsverhältnis sich verändern .
Die unabhängige Einspritzung von Wasserstoff kann dabei ohne wesentliche
Vorsichtsmaßnahmen hinsichtlich der Dosierung erfolgen und ergibt trotzdem ein zündwilliges und vollständiges verbren-'.bares Gemisch
in der Zündzone, wobei die Zündung mittels von außen zugeführter Energie oder durch Selbstentzündung erfolgen kann.
Im Betrieb kann sich mit der Zeit eine Veränderung der Einspritzvorrichtung
für den gasförmigen Brennstoff ergeben, wodurch die Zuverlässigkeit der Einspritzverrichtung verringert und diese sogar
fur.ktionsur.tüchtig werden kann. Es ist daher günstig, die Einspritzvorrichtung
während der Explosionsphase durch einen zeitlich wirksamen
Verschluß abzudecken, z.B. ein Kugelventil. Kugelventile weisen im allgemeinen eine Feder au_ , um die Kugel in die Schließstellung
zu drücken, meistens eine Schrauberif eder, und sind aufgrund dieser
Konstruktion gegen Stöße und wiederholte Wärmebeanspruchungen empfindlich
.
Die Einspritzvorrichtung nach der Neuerung vermeidet in einer V,7eiterbildung
diesen Kachteil dadurch, daß die Einspritzvorrichtung eine Einspritzdüse umfaßt, die ein Kugelventil enthält, deren Kugel
mit Spiel zwischen einem an den Brennraum angrenzenden stremungi ·
durchlässigen Rückhalteteil und einem in Strömungsrichtung davor liegenden Ventilsitz frei beweglich ist. Dadurch wird die Einspritzdüse
in der Explosionsphase vor dem Gasdruck geschützt.
Vorzugsweise ist der Ventilsitz an dem Gehäuse der Einspritzdüse fest, und das Rückhalteteil· bildet ein Plättchen, das in eine die
Kugel aufnehmende Bohrung fest eingesetzt ist und an einer brennraumseiticen
Schulter aufsitzt.
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Die Neuerung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen ar. mehreren Ausführungsbeispielen ergänzend beschrieben.
Fig. 1 ist ein Schnitt durch den oberen Teil eines Zylinders eines Verbrennungsmotors entlang
der Linie I-I von Fig. 2;
Fig. 2 ist eine Draufsicht auf den Zylinderkopf in Richtung der Pfeile II-II von Fig. 1;
Fig. 3 ist ein Axialschnitt durch den oberen Teil eines Zylinders entlang der Linie III-III
von Fig. 4;
Fig. 4 ist eine Draufsicht auf den Zylinderkopf entlang der Linie IV-IV von Fig. 3;
Fig. 5 ist ein Axialschnitt durch eine Einspritzdüse
entsprechend der Ebene V-V von Fig. 6, und
Fig. 6 ist ein Querschnitt entsprechend der Ebene VI-VI von Fig. 5.
Fig. 1 zeigt den oberen Teil des Zylinders eines Verbrennungsmotors
rr.it einem Einlaßkanal 1 , der durch ein Einlaßventil 2 verschließbar ist und den Haupteinlaß für ein Gemisch aus Luft und flüssigem Kohlenwasserstoff
bild.it/ das in einen Verbrennungsraum 3 angesäugt
wi rd.
In eine Bohrung des Zylinderkopfes 5 ist eine Zündkerze 4 eingesetzt.
Eine weitere Bohrung in dem Zylinderkopf nimmt eine elektromagnetische Einspritzdüse 6 auf, die von einem Entspannungsventil 7 über
ein Rohr aus einem Vorratsbehälter 9 mit Wasserstoff gespeist wird.
Fig. 2 zeigt die Unterseite des an den Verbrennungsraum angrenzenden
Zylinderkopfes mit dem Einlaßventil 2 und einem Auslaßventil 10,
der Zündkerze 4 sowie der elektromagnetischen Einspritzdüse 6.
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/lö
Die Figuren 3 und 4 zeigen eine abgeänderte Ausführungsform eines Verbrennungsmotors, bei der der Verbrennungsraum 3 über einen Kanal
χ 11 mit einer Vorkammer 12 in Verbindung steht, in die die Zündkerze
4 und die elektromagnetische Einspritzdüse 6 münden. 1
I Bei beiden Ausführungsformen wird ein Gemisch aus Luft und flussi- |
gern Kohlenwasserstoff auf übliche Weise hergestellt, etwa mittels |
eines Vergasers, und sodann durch den Einlaßkanal 1 als brennstoff- f ?rmes Gemisch, d.h. mit einem Luft: Brennstoff verhältnis unterhalb ||
des stöchiometrischen Wertes, etwa von 22:1, in den Verbrennungsraum \
i 3 angesaugt. Beim Durchtritt durch das Einlaßventil 2 erfolgt dabei i
eine weitere Zerstäubung und Verdampfung. \
Während des Verdichtungshubes wird Wasserstoffgas durch die elektromagnetische
Einspritzdüse 6 in die Nähe der Zündkerze 4 eingeblasen, das aus dem Vorratsbehälter 9 stammt. Sobald ein Zündfunke an der
Zündkerze auftritt, entflammt die wasserstoffhaltige Ladungsschicht
in der Nähe der Zündkerze und setzt durch die dabei frei werdende Energie die Verbrennung des brennstoffarmen Hauptladungsteils in Gang.
Die Menge des eingespritzten Wasserstoffes muß genügend groß sein, um
in der Nähe der Zündkerze ein Gemisch zu erzeugen mit einem Wasserstoff
anteil von wenigstens 10 Volumenprozent. Es genügt, wenn diese
Wasserstoffkonzentration lediglich in einem Raumanteil von 15 - 20%
des Verbrennungsraumes vorhanden ist, um eine Zündung und Flammausbreitung des restlichen Ladungsteils zu gewährleisten.
Für einen Verbrennungsmotor mit 500 cm Hubraum reicht für eine Zylinderfüllung
die sehr geringe Menge von 0,02 g Wasserstoff.
Der in den Figuren 3 und 4 dargestellte Verbrennungsmotor umfaßt eine Weiterbildung, gemäß der die Wasserstoffeinspritzung geometrisch
begrenzt und die Zündung in einer Vorkammer 12 gewährleistet wird.
Dieise Vorkammer, in die das Wasserstoffgas eingespritzt wird, ist
von dem Hauptverbrennungsraum getrennt, um eine merkliche Diffusion von Wasserstoff mit dem Hauptladungsteil und einen dadurch bedingten
zu großen Verbrauch von Wasserstoff für eine sichere Zündung zu vermeiden. Mit dieser Bauart läßt sich der für eine Zylinderfüllung |
benötigte Wasserstoffanteil wesentlicn verringern.
Man braucht natürlich nicht unbedingt mit einem minimalen Wasserstoffanteil
zu arbeiten, sondern kann auch andere Wasserstoffanteile
verwenden, die zu einem zündwilligen Gemisch führen.
Der weite Bereich des Wasserstoffanteils ermöglicht sowohl die Verwendung
einer festen Wasserstoffmenge pro Hub als auch eine von der Drehzahl und Belastung des Motors abhängige Menge. -Im letzten Fall
ist natürlich die Steuerung für die elektromagnetische Einspritzdüse 6 komplizierter im Vergleich zur Einspritzung konstanter Mengen.
Beide Ausführungsbeirpiele beziehen sich auf Ottomotoren. Die Neuerung
ist jedoch auch bei Dieselmotoren anwendbar. Dabei wird dann die Zündkerze 4 durch eine übliche Einspritzdüse für Dieselöl
ersetzt, und die Zündung erfolgt bei der Kompression in dem wasserstoffhaltigen
Ladungsteil.
Die leichte Entflammbarkeit von Wasserstoff selbst in geringen Mengen
ermöglicht eine Verbrennung bei geringem Verdichtungsverhältnis. Dadurch lassen sich Dieselmotoren in der Kälte leichter starten.
Es können auch schwerere Dieselöle ohne Leistungseinbuße verwendet werden.
Zum Schutz der Wasserstoffeinspritzdüse kann ein Ventil vorgesehen
sein, das in den Figuren 5 und 6 dargestellt ist. Die dort dargestellte Einspritzdüse umfaßt einen Gehäusekörper 21 undeine Gewindebuchse
22, die in den Gehäusekörper eingeschraubt igt und eine Bohrung 39 aufweist, in der eine Kugel 2 Γ .τ.it radialem und axialem
Spiel frei beweglich untergebracht und mittels eines Rückhalteteils
24 am Herausfallen gehindert ist. Das Rückhalteteil ist mit festem
Sitz in die Gewindebuchse 22 eingesetzt.
Der zylindrische Gehäusekörper 21. weist einen äußeren Gewindebereich
25 auf, der zu der Gewindebohrung in der Wand 44 des Zylinderkopfes
paßt. An den Gewindebereich 25 grenzt ein eir° Führung bildender
glatter Bereich 26 an, und der Gehäusekörper 21 weist einen Kragen
27 auf, der gegen die äußere Oberfläche der Wand 44 kommen kann und die Einschraubbewegung begrenzt. Im Bereich des Kragens 27 ist eine
glatte Bohrung 28, die zur Aufnahme der elektromagnetischen Einspritzdüse
6 dient und die in einen konzentrischen Gewindebereich übergeht, an den eine konische Bohrung 31 anschließt, die einseitig
durch das Ende 32 der elektromagnetischen Einspritzdüse 6 begrenzt ist. Am anderen Ende des Gehäusekörpers 21 befindet sich eine koaxiale
Gewindebohrung 33, die die Gewindebuchse 2 aufnimmt und in einen konischen Bereich 34 übergeht, der den Ventilsitz für die Kugel 23 bildet
und mit der konischen Bohrung 31 über eine enge öffnung 3 5 in Verbindung
steht.
Die praktisch zylindrische Gewindebuchse 22 hat einen Außengewindebereich
36 zum Einschrauben der Gewindebuchse in die Gewindebohrung 33 des Gehäusekörpers 21, und einen Kragenber^.ich 37, der die Einschraubbewegung
der Gewindebuchse 22 in den Gehäusekörper 21 begrenzt und zwei diametral gegenüberliegende Planbereiche 38 aufweist, un;
das Einschrauben der Gewindebuchse 22 zu erleichtern. Die Gewindebuchse
22 weist eine zentrale glatte Bohrung 39 auf, die der Einspritzdüse
6 zugewandt ist und zum Aufnehmen der Kugel 2 3 dient, sowie eine dünnere Bohrung 41, die eine Schulter 40 bildet, auf der
das Rückhaiteteil 24 fest aufsitzt.
Das Rückhalteteil 24 bildet ein Plättchen, welches mit festem Sitz
mit seinen zylindrisch gestalteten Kanten 42 in die Bohrung 39 der
Gewindebuchse 22 eingepreßt ist und zwei gegenüberliegende Planflächen 43 aufweist, die die Strömung an dem Rückhalteteil 24
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vorbeilassen. Die Kugel 23 ist in der Bohrung 39 also mit einem gewissen
axialen und radialen Spiel zwischen dem den Ventilsitz bildenden konischen Bereich 34 und dem Rückhalteteil 2 4 eingeschlossen.
Cie V.'irkungsveise ist folgende. In der Einspritzphase drückt die
durch die elektromagnetische Einspritzdüse 6 fließende WasserstoffströT.ur.c?
die Kugel 23 gegen das Rückhalteteil 24, so daß Wasserstoff an diesen vorbei in den Verbrennungsraum strömen kann. Aufgrund des
radialen Spiels der Kugel 23 behindert diese die Strömung nicht.
Ar. Ende des Verdichtungshubes und während des Arbeitshubes drängt
der m der, Verbrennungsraum herrschende Gasdruck die Kugel 23 gegen
den ventilsitz 2Λ, so daß die Einspritzdüse 6 gegen schädLiehe Wärrr.ev.-irkur.gen
geschützt ist, insbesondere während der Verbrennungs-1
chase. Der Schutz der Einspritzdüse 6 ist sehr wirkungsvoll, da die K u er ei 2 3 schon gegen Ende des Verdichtungshubes gegen den Ventilsitz
34 gedrückt wird, sobald der Druck genügend hoch ist, also in -edern Fall vor Beginn der Verbrennung, wobei die Abdichtung bis zum
Ende des Arbeitshube? anhält, also so lange sich heiße Gase in dem
Die Einspritzvorrichtung ist einfach aufgebaut, läßt sich also
kc stenoünsiic- herstellen, arbeitet zuverlässig und wird automatisch
entsprechend der. Arbeitsablauf in den Zylindern gesteuert, wobei sie
c in or. v;i rkserren Schutz der Einspritzdüse ergibt.
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Claims (5)
1. Verbrennungsmotor mit geschichteter Ladung, die einen armen Hauptladungsteil aus einem ersten Brennstoff und Luft aufweist,
gekennzeichnet durch eine in der Zündzone
mündende Einspritzvorrichtung (6) für einen zweiten Brennstoff, insbesondere Wasserstoffgas, zum Herstellen eines zündwilitgeren
Ladungsgemisches in der Zündzone.
2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 in Ottomotorbauart, dadurch gekennzeichnet , daß die Einspritzvorrichtung
(6) in der Nähe der Zündkerze (4) mündet.
3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, gekenn
zeichnet durch eine mit dem Verbrennungsraum (3) verbundene
Vorkammer (12), in die die Einspritzvorrichtung (6) und eventuelle Zündvorrichtung (4) münden.
4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Einspritzvorrichtung eine elektromagnetische
Einspritzdüse (6) umfaßt, die an einen Wasserstoffvorratsbehälter (9) angeschlossen ist.
5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch g e k e η η -
ζ e i c h ne t , daß die Einspritzvorrichtung eine Einspritzdüse
(6) umfaßt, die ein Kugelventil (23,34) enthält, deren Kugel (23) mit Spiel zwischen einem an den Verbrennungsraum (3)
angrenzenden, strömungsdurchlässigen Rückhalteteil (24) und einem in Strömungsrichtung davor liegenden Ventilsitz (34) frei
beweglich ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Ventilsitz (34) an dem Gehäuse der
Einspritzdüse (6) fest ist und daß das Rücvhalteteil (24)
ein Plättchen bildet, das in eine die Kugel (23) aufnehmende Bohrung fest eingesetzt ist und an einer verbrer.nur.gsrau:-iseitigen
Schulter (4o) aufliegt.
75050Θ2 u.
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