WO2004106722A2 - Brennkraftmaschine - Google Patents

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WO2004106722A2
WO2004106722A2 PCT/AT2004/000183 AT2004000183W WO2004106722A2 WO 2004106722 A2 WO2004106722 A2 WO 2004106722A2 AT 2004000183 W AT2004000183 W AT 2004000183W WO 2004106722 A2 WO2004106722 A2 WO 2004106722A2
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Robert Beran
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Avl List Gmbh
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    • Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine, in particular a gas internal combustion engine.
  • a gas internal combustion engine is known from JP 2001-214811 A, in which gas is fed into an inlet duct via a gas feed pipe, the gas feed pipe having a series of radial openings through which the gas is blown in the direction of the inlet flow.
  • the mouths of the gas supply pipe are arranged as close as possible to the mouth into the combustion chamber in order to keep the residual gas not participating in the combustion as small as possible in the inlet duct and to reduce flushing losses. Because the gas is blown into the inlet duct close to the mouth, mixing with the fresh air is not sufficient.
  • Combustion processes with a prechamber are used, among other things, in lean (with a high air ratio) operated gas engines, from a certain cylinder stroke volume.
  • lean with a high air ratio
  • the advantage of initiating combustion in the prechamber instead of in the main combustion chamber is that even in high air conditions, a low ignition energy is sufficient to ensure efficient (with good efficiency) and yet low-pollution combustion of the entire cylinder charge (in the prechamber and main combustion chamber).
  • the prechamber is fluidly connected to the main combustion chamber via one or more holes.
  • the fuel gas / air mixture flows into the main combustion chamber via one or more inlet valves and is subsequently pushed into the prechamber during the compression process, so that a combustible mixture is available in it.
  • electrical spark ignition systems and also ignition beam processes are used to ignite the fuel gas / air mixture.
  • pure fuel gas or a fuel gas / air mixture is often introduced into the prechamber in order to have a significantly richer and therefore more readily combustible mixture available at the point of combustion initiation compared to the main combustion chamber.
  • combustion in the prechamber can also be initiated by homogeneous self-ignition, as described in AT 6.290 Ul.
  • Flame torches flow from the antechamber into the main combustion chamber and also ignite the fuel gas / air mixture located there.
  • the auto-ignition temperature must be exceeded so that the injected or injected ignition jet can auto-ignite.
  • the temperature increase of the residual gas / fuel gas / air mixture in the prechamber results primarily from the compression process. Wall heat losses, however, in turn reduce the temperature of the gas mixture and thus make auto-ignition difficult. Especially when starting an ignition jet engine, the wall heat losses are particularly high, which makes starting the engine considerably more difficult.
  • EP 0 097 320 A2 discloses a prechamber or swirl chamber for internal combustion engines which has an inner molded body which forms the interior and an outer molded body which is made of ceramic material and forms thermal insulation and is externally connected to the inner molded body by shrinking or gluing.
  • Antechambers with thermal insulation on the outside of the antechamber body are also known from the publication DE 864 173 B. Despite the insulation, the antechambers are subject to high mechanical and thermal loads.
  • the object of the invention is to improve the mixture homogeneity and reduce the purge losses in an internal combustion engine of the type mentioned. Another object is to reduce the heat losses in an internal combustion engine with a prechamber connected to a main combustion chamber for initiating the combustion.
  • At least one flow path for supplying the gaseous fuel opens into at least one inlet duct, the gas supply to the gas flow path being controllable by a gas valve.
  • the gas supply pipe has at least one longitudinal slot and / or at least one elongated hole, the longitudinal slot being able to run out towards an end opening of the gas supply pipe.
  • a longitudinal slot or an elongated hole is arranged on the side of the gas supply pipe facing away from the fresh air flow, it being possible for a further longitudinal slot or a further elongated hole to be arranged on the side facing the fresh air flow.
  • the contact surface with the fresh air is significantly increased and the mixing is improved.
  • the fresh air can optimally flush out the gas supply pipe through the front opening and the longitudinal slot or the elongated hole, so that after the gas valve is switched off, hardly any residual gas remains in the gas supply pipe and almost all of the supplied gas participates in the combustion. This means that flushing losses can be significantly reduced.
  • the gas supply pipe is chamfered in the region of the front opening, the opening preferably being arranged on the side facing away from the fresh air flow in the inlet duct. It is particularly advantageous for thorough mixing of the gas with fresh air and for a good flushing out of the gas supply pipe if the gas supply pipe is at least partially directed against the fresh air flow in the inlet duct.
  • At least two gas flow paths preferably a first and a second gas flow path, open into the inlet channel in different areas.
  • Two gas flow paths for supplying the fuel gases are particularly advantageous for internal combustion engines with two inlet valves, which are arranged behind one another in terms of flow in the mouth region of a single inlet channel.
  • the second gas flow path - viewed in the direction of the air flow in the inlet channel - opens into the inlet channel downstream of the first gas flow path
  • the first and second gas flow paths preferably opening into different cross-sectional areas of the inlet channel, advantageously the first inlet flow path within the inlet channel is longer than the second inlet flow path. Because the gas supply pipes are of different lengths, the gas can flow in different cross-sectional areas of the inlet channel, as a result of which the gas flowing in via each inlet valve can be metered separately and mixed particularly well with fresh air.
  • the gas flow paths can be arranged either in the cylinder head or in a combined intake-exhaust manifold part.
  • the invention provides that the thermal insulation is formed by an insulation insert inserted into the prechamber, the insulation insert preferably being designed as a sleeve.
  • the resulting gap between the sleeve and the actual prechamber body makes the heat flow more difficult.
  • the sleeve advantageously consists of a heat-resistant material or several materials, for example at least partially of ceramic.
  • the sleeve can be easily inserted into existing pre-chamber designs by simple adaptations, making it possible to retrofit engines in series at low cost. Particularly small measures are required if the sleeve is rotationally symmetrical, preferably cylindrical, and the prechamber is cylindrical at least in sections is.
  • the sleeve is preferably inserted into a recess produced, for example, by a milling or turning process, in accordance with the shape of the sleeve.
  • the prechamber body is constructed in several parts and consists at least of a first part receiving the sleeve and a second part closing the prechamber in the axial direction.
  • a particularly advantageous embodiment variant of the invention provides that the inner lateral surface of the sleeve adjoins the adjoining prechamber wall.
  • the residual gas / fuel gas / air mixture in the antechamber reaches sufficiently high temperatures towards the end of compression (shortly before the piston reaches top dead center).
  • FIG. 1 shows an internal combustion engine according to the invention in a longitudinal section through an inlet duct in a first embodiment
  • FIG. 2 shows an internal combustion engine according to the invention in a longitudinal section through an inlet duct in a second embodiment variant
  • FIG. 3 shows an inlet-outlet manifold part from FIG. 1 in an oblique view
  • Fig. 4 shows the gas supply pipe from Fig. 1 in detail
  • Fig. 5 shows a prechamber according to the invention in longitudinal section.
  • the gas internal combustion engine 1 shown in FIGS. 1 to 4 for the combustion of a gaseous fuel has an inlet channel 3 per cylinder 2, which divides into two subchannels 5, 6 before entry into the combustion chamber 4, the inlet cross section of which is divided by inlet valves 7, 8 is controlled.
  • the gas is supplied via a first and a second gas flow path 9, 10, the gas flow paths 9, 10 being formed by first and second gas feed pipes 11, 12 opening into the inlet channel 3.
  • the amount of gas supplied is controlled via an electrically actuated gas valve 13.
  • the first and second gas flow paths 9, 10 may be arranged in a combined intake-exhaust manifold part 15 which is separate from the cylinder head 14, as shown in FIG. 1. Alternatively, it is also possible that the first and second gas flow paths 9, 10 are arranged in the cylinder head 14 and that the gas valve 13 is attached directly to the cylinder head 14 (FIG. 2).
  • the first and second gas supply pipes 11, 12 are of different lengths and open into the cross section of the inlet channel 3. This ensures that both subchannels 5, 6 are equally adequately supplied with a fuel-air mixture.
  • the first gas supply pipe 11 has a longitudinal slot 16 which faces away from the fresh air flow S and which extends over a large part of the first gas supply pipe 11.
  • the gas supply pipe is provided with an opening 18 on its end face 17 projecting into the inlet duct.
  • the longitudinal slot 16 runs towards the front into this front opening 18.
  • the first gas supply pipe 11 is chamfered in the region of its end face 17, so that the opening 18 of the fresh air flow S is turned away.
  • the gas supplied via the gas valve 13 flows through the first and second gas supply pipes 11, 12 into the inlet channel 3.
  • the inflow through the first gas supply pipe 11 takes place via the entire longitudinal slot 16 and via the front opening 18. This creates a relatively large contact surface with the inflowing fresh air, which produces a particularly good mixing of the fuel with the fresh air. Since the gas flows through the first and second gas supply pipes 11, 12 into different cross-sectional areas of the inlet duct 3, the mixing is promoted and the two sub-ducts 5, 6 are supplied with a fuel-air mixture.
  • the gas supply pipe 11 can also have a longitudinal slot or an elongated hole 16 'on the side facing the fresh air flow.
  • the gas supply pipe 11 is flushed with fresh air by inserting a portion of the fresh air of the inlet duct 3 through the rear longitudinal slot or the elongated hole 16 'and through the front opening 18 of the first gas supply pipe 11 and through the longitudinal slot facing away from the fresh air flow 16 leaves again. It is advantageous if the gas supply pipe 11 is at least partially directed against the flow direction S of the fresh air in the inlet duct 3, as can be seen, for example, from FIG. 3.
  • the first gas supply pipe 11 opens into the inlet channel in the region of an external curvature of the inlet channel 3.
  • 5 shows a prechamber 101 in longitudinal section.
  • the pre-chamber 101 is arranged in the cylinder head 102 of an internal combustion engine, not shown.
  • the interior 103 of the prechamber 101 opens into a main combustion chamber 105 of the internal combustion engine via openings 104.
  • the prechamber body 106 of the prechamber 101 is constructed in several parts and consists of at least a first part 107 and a second part 108 which closes off the first part 107 in the axial direction.
  • the longitudinal axis of the prechamber 101 is designated 101a.
  • the first part 107 spans the interior 103 and has a cylindrical section 109, in which a cylindrical recess 110 is formed, for example by milling or turning.
  • a thermal insulating insert 112 formed by a cylindrical sleeve 111 is inserted into the recess 110 of the first part 107, which on the one hand reduces the heat losses and on the other hand reduces the thermal load on the prechamber body 106.
  • the reduction in heat losses is realized on the one hand by the parting line 113 between the prechamber body 106 and the insulating insert 112, and on the other hand by the choice of a heat-resistant material with low thermal conductivity, for example ceramic.
  • the inner lateral surface 114 of the sleeve 111 adjoins the prechamber wall 115 as seamlessly as possible, so that disturbances in the flow and combustion process within the prechamber 101 are avoided.
  • An injection valve and / or an ignition device can open into the interior 103 of the pre-chamber 101 via the second part 108, as indicated by reference numerals 116 and 117.
  • this measure for thermal insulation can ensure reliable auto-ignition and ensure stable, rapid combustion in the pre-chamber 101 and subsequently in the main combustion chamber 105.
  • pilot jet engines it is possible to reduce the injection quantities of liquid fuel required, which can achieve advantages in NO x emissions.
  • a better starting behavior of the internal combustion engine can also be achieved through the better thermal insulation of the pre-chamber 101, since the temperature levels necessary for good ignition behavior can be reached more quickly.
  • ignition and combustion can also be found in prechamber concepts with homogeneous combustion in prechamber 101.
  • prechamber internal combustion engines with electrical ignition the stability and the speed of the combustion in the prechamber 101 and thus also in the main combustion chamber 105 can be increased.
  • references used in the subclaims indicate the further development of the subject matter of the skin claim through the features of the respective subclaim; they are not to be understood as a waiver of the achievement of independent, objective protection for the characteristics of the related subclaims.

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Abstract

Eine Brennkraftmaschine weist zumindest einen Einlasskanal auf, in welchen ein durch ein Gaszuführrohr gebildeter Gasströmungsweg einmündet. Die Gaszufuhr zum Gasströmungsweg ist durch ein Gasventil steuerbar.

Description

Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Brennkraftmaschine, insbesondere eine Gas-Brennkraftmaschine.
Aus dem Paper NO.2000-ICE-330, ICE-Vol. 35-2, 2000 ICE Fall Technical Conference, ASME 2000 mit dem Titel "Gas Engine Developement at Wärtsilä NSD", Ingemar NYLUND, ist eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der Gas über zwei Gaszuführrohre in den Einlasskanal zugeführt wird. Die Gaszuführrohre sind dabei etwa normal zum Einlasskanal angeordnet, wobei im Bereich der Mündungen die Gaszuführrohre abgeschrägt sind. Nachteilig ist, dass nach Schließen des Gasventiles im Gaszuführrohr ein Gasrest verbleibt, welcher nicht an der Verbrennung teilnimmt. Da das Gas als Strahl in den Einlasskanal geblasen wird, wobei die Kontaktfläche mit der Frischluft relativ klein ist, lässt die erreichte Durchmischung zu wünschen übrig.
Aus der JP 2001-214811 A ist eine Gas-Brennkraftmaschine bekannt, bei welcher Gas über ein Gaszuführrohr in einen Einlasskanal zugeführt wird, wobei das Gaszuführrohr eine Reihe von radialen Öffnungen aufweist, über welche das Gas in Richtung der Einlassströmung eingeblasen wird. Die Mündungen des Gaszuführrohres sind möglichst nahe bei der Mündung in den Brennraum angeordnet, um das an der Verbrennung nicht teilnehmende Restgas im Einlasskanal möglichst klein zu halten und um Spülverluste zu reduzieren. Durch die mündungsnahe Einblasung des Gases in den Einlasskanal ist aber die Durchmischung mit der Frischluft nicht ausreichend.
Brennverfahren mir Vorkammer kommen unter anderem in mager (mit hohem Luftverhältnis) betriebenen Gasmotoren, ab einem gewissen Zylinderhubvolumen, zur Anwendung. Der Vorteil einer Verbrennungseinleitung in der Vorkammer, anstatt im Hauptbrennraum besteht darin, dass auch bei hohen Luftverhältnissen eine geringe Zündenergie ausreicht, um eine effiziente (mit gutem Wirkungsgrad) und dennoch schadstoffarme Verbrennung der gesamten Zylinderladung (in Vorkammer und Hauptbrennraum) sicherzustellen.
Die Vorkammer ist mit dem Hauptbrennraum über eine oder mehrere Bohrungen strömungstechnisch verbunden. Das Brenngas/Luft-Gemisch strömt über eine oder mehrere Einlassventile in den Hauptbrennraum und wird in weiterer Folge während des Verdichtungsvorganges in die Vorkammer geschoben, so dass in dieser ein brennbares Gemisch zur Verfügung steht. Zur Entflammung des Brenngas/Luft-Gemisches werden elektrische Funkenzündsysteme und auch Zündstrahlverfahren angewandt. Im Falle einer elektrischen Funkenzündung wird vielfach noch zusätzlich reines Brenngas oder ein Brenn- gas/Luft-Gemisch in die Vorkammer eingebracht, um am Ort der Verbrennungseinleitung ein, im Vergleich zum Hauptbrennraum, deutlich fetteres und damit auch zündwilligeres Gemisch zur Verfügung zu haben.
Während bei den elektrischen Zündsystemen die Verbrennungseinleitung durch einen Überschlag eines Zündfunkens zwischen den Elektroden einer Zündkerze erfolgt, wird bei dem Zündstrahlverfahren eine kleine Menge flüssigen Brennstoffes unter hohem Druck in die Vorkammer eingespritzt. Diese entzündet sich bei ausreichend hohen Verdichtungstemperaturen selbst und initialisiert in weiterer Folge die Verbrennung des Brenngas/Luft-Gemisches.
Statt der Verbrennungseinleitung durch einen Zündfunken oder auch durch einen flüssigen Zündstrahl kann die Verbrennung in der Vorkammer auch durch eine homogene Selbstzündung eingeleitet werden, wie in der AT 6.290 Ul beschrieben ist.
Aus der Vorkammer strömen Flammenfackeln in den Hauptbrennraum und entflammen auch das dort befindliche Brenngas/Luft-Gemisch.
Zur Erzielung einer stabilen Verbrennung in der Vorkammer ist bei sämtlichen Konzepten ein ausreichend hohes Temperaturniveau in der Vorkammer erforderlich.
Dies gilt insbesondere für Gasmotoren mit Zündstrahlverfahren und für Konzepte mit homogener Verbrennung in der Vorkammer. Damit es zu einer Selbstzündung des eingespritzten oder eingeblasenen Zündstrahles kommt, muss die Selbstzündungstemperatur überschritten werden. Die Temperaturerhöhung des in der Vorkammer befindlichen Restgas/Brenngas/Luft-Gemisches resultiert primär aus dem Verdichtungsvorgang. Wandwärmeverluste verringern jedoch wiederum die Temperatur des Gasgemisches und erschweren damit die Selbstzündung. Speziell beim Start eines Zündstrahlmotors sind die Wandwärmeverluste besonders hoch, was den Motorstart erheblich erschwert.
Aber auch bei Gasmotoren mit elektrischer Zündung, mit und ohne zusätzlicher Gaszufuhr (oder Gas/Luft-Gemischzufuhr) führen zu große Wandwärmeverluste zu einer schlechten Verbrennung in der Vorkammer. Insbesondere bei hohen Luftverhältnissen in der Vorkammer zum Zündzeitpunkt führt dies zu einer schlechten Verbrennung. Aus der EP 0 097 320 A2 ist eine Vor- oder Wirbelkammer für Verbrennungsmotoren bekannt, welche einen den Innenraum formenden inneren Formkörper und einen eine Wärmeisolierung bildenden äußeren Formkörper aus keramischem Werkstoff aufweist, der durch Schrumpfen oder Kleben außen mit dem inneren Formkörper verbunden ist. Vorkammern mit Wärmeisolierungen an der Außenseite des Vorkammerkörpers sind auch aus der Veröffentlichung DE 864 173 B bekannt. Trotz Isolierung werden die Vorkammern mechanisch und thermisch stark belastet. Vorkammern mit wärmeisolierenden Strukturen an der Innenseite des Vorkammerkörpers sind aus US 5,065,714 A, der DE 38 32 261 A und der DE 198 00 751 AI bekannt. Nachteilig ist, dass diese bekannten Vorkammern mit thermischer Isolierung einen erhöhten Herstellungsaufwand aufweisen. Für eine Nachrüstung sind derartig isolierte Vorkammern weniger geeignet.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art die Gemischhomogenität zu verbessern und die Spülverluste zu verringern. Eine weiter Aufgabe ist es, bei einer Brennkraftmaschine mit einer mit einem Hauptbrennraum verbundenen Vorkammer zur Einleitung der Verbrennung die Wärmeverluste zu vermindern.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in zumindest einem Einlasskanal zumindest ein durch ein Gaszuführrohr gebildeter Strömungsweg zur Zuführung des gasförmigen Kraftstoffes einmündet, wobei die Gaszufuhr zum Gasstromungsweg durch ein Gasventil steuerbar ist. Vorzugsweise ist weiters vorgesehen, dass das Gaszuführrohr zumindest einen Längsschlitz und/oder zumindest ein Langloch aufweist, wobei der Längsschlitz zu einer stirnseitigen Mündungsöffnung des Gaszuführrohres hin auslaufen kann. Ein Längsschlitz oder ein Langloch ist dabei auf der der Frischluftströmung abgewandten Seite des Gaszuführrohres angeordnet, wobei ein weiterer Längsschlitz oder ein weiters Langloch an der der Frischluftströmung zugewandten Seite angeordnet sein kann. Dadurch, dass das Gas über den Längsschlitz oder das Langloch und die stirnseitige Mündungsöffnung in den Einlasskanal strömt, wird die Kontaktoberfläche mit der Frischluft wesentlich vergrößert und die Durchmischung verbessert. Die Frischluft kann durch die stirnseitige Mündungsöffnung und den Längsschlitz bzw. das Langloch das Gaszuführrohr optimal ausspülen, so dass nach Abschalten des Gasventils kaum Restgas im Gaszuführrohr verbleibt und nahezu das gesamte zugeführte Gas an der Verbrennung teilnimmt. Somit können die Spülverluste wesentlich verringert werden.
Eine verbesserte Gemischhomogenität lässt sich erreichen, wenn das Gaszuführrohr im Bereich der stirnseitigen Mündungsöffnung abgeschrägt ist, wobei die Mündungsöffnung bevorzugt auf der der Frischluftströmung im Einlasskanal abgewandten Seite angeordnet ist. Besonders vorteilhaft für eine gute Durchmischung des Gases mit Frischluft und für eine gute Ausspülung des Gaszuführrohres ist es, wenn das Gaszuführrohr zumindest teilweise entgegen der Frischluftströmung im Einlasskanal gerichtet ist.
In weiterer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest zwei Gasströmungswege, vorzugsweise ein erster und ein zweiter Gasstromungsweg, in unterschiedlichen Bereichen in den Einlasskanal einmünden. Zwei Gasströmungswege zur Zuführung der Brenngase sind besonders für Brennkraftmaschinen mit zwei Einlassventilen, welche strömungsmäßig hintereinander im Mündungsbereich eines einzigen Einlasskanals angeordnet sind, von Vorteil. Dabei ist in einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen, dass der zweite Gasstromungsweg - in Richtung der Luftströmung im Einlasskanal betrachtet - stromabwärts des ersten Gasströmungsweges in den Einlasskanal einmündet, wobei vorzugsweise der erste und der zweite Gasstromungsweg in unterschiedlichen Querschnittsbereichen des Einlasskanals einmünden, wobei vorteilhafterweise der erste Einlassströmungsweg innerhalb des Einlasskanals länger ist, als der zweite Einlassströmungsweg. Dadurch, dass die Gaszuführrohre unterschiedlich lang ausgeführt sind, kann das Gas in unterschiedlichen Querschnittsbereichen des Einlasskanals einströmen, wodurch das über jedes Einlassventil einströmende Gas separat dosiert und besonders gut mit Frischluft durchmischt werden kann.
Die Gasströmungswege können entweder im Zylinderkopf oder in einem kombinierten Einlass-Auslass-Krümmerteil angeordnet sein.
Um die Wärmeverluste im Bereich der Vorkammer zu vermindern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die thermische Isolierung durch einen in die Vorkammer eingesetzten Isolierungseinsatz gebildet ist, wobei vorzugsweise der Isoliereinsatz als Hülse ausgebildet ist. Durch die entstehende Trennfuge zwischen der Hülse und dem eigentlichen Vorkammerkörper wird der Wärmeabfluss erschwert. Darüber hinaus ergibt sich dabei der Vorteil, dass sich die thermische Belastung des eigentlichen Vorkammerkörpers, welcher bereits mechanisch stark beansprucht ist, reduziert. Die Hülse besteht dabei vorteilhafterweise aus einem wärmefesten Material oder mehreren Materialen, beispielsweise zumindest teilweise aus Keramik.
Die Einbringung der Hülse ist durch einfache Adaptionen auch an bestehenden Vorkammerkonstruktionen leicht zu realisieren, ein Nachrüsten in Serie befindlicher Motoren ist daher kostengünstig möglich. Besonders geringe Maßnahmen sind erforderlich, wenn die Hülse rotationssymmetrisch, vorzugsweise zylindrisch, geformt ist und die Vorkammer zumindest abschnittsweise zylindrisch geformt ist. Vorzugsweise wird die Hülse in eine beispielsweise durch einen Fräs- oder Drehvorgang hergestellte Ausnehmung entsprechend der Form der Hülse eingesetzt. Um dies zu ermöglichen, ist es besonders vorteilhaft, wenn der Vorkammerkörper mehrteilig ausgebildet ist und zumindest aus einem die Hülse aufnehmenden ersten Teil und einem die Vorkammer in axialer Richtung abschließenden zweiten Teil besteht.
Um eine Störung der Strömungen innerhalb der Vorkammer zu vermeiden, ist in einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen, dass die innere Mantelfläche der Hülse an die angrenzende Vorkammerwand plan anschließt.
Mit den beschriebenen Maßnahmen zur Wärmeisolation erreicht das Restgas/Brenngas/Luft-Gemisch in der Vorkammer gegen Ende der Verdichtung (kurz bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht) ausreichend hohe Temperaturen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einem Längsschnitt durch einen Einlasskanal in einer ersten Ausführungsvariante,
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einem Längsschnitt durch einen Einlasskanal in einer zweiten Ausführungsvariante,
Fig. 3 einen Einlass-Auslass-Krümmerteil aus Fig. 1 in einer Schrägansicht,
Fig. 4 das Gaszuführrohr aus Fig. 1 im Detail und
Fig. 5 eine erfindungsgemäße Vorkammer im Längsschnitt.
In den Ausführungsbeispielen sind funktionsgleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die in Fig. 1 bis Fig. 4 gezeigte Gas-Brennkraftmaschine 1 zur Verbrennung eines gasförmigen Kraftstoffes weist pro Zylinder 2 einen Einlasskanal 3 auf, welcher sich vor Eintritt in den Brennraum 4 in zwei Teilkanäle 5, 6 aufteilt, deren Einlassquerschnitt durch Einlassventile 7, 8 gesteuert wird. Das Gas wird über einen ersten und einen zweiten Gasstromungsweg 9, 10 zugeführt, wobei die Gasströmungswege 9, 10 durch in den Einlasskanal 3 mündende erste und zweite Gaszuführrohre 11, 12 gebildet sind. Die Menge des zugeführten Gases wird über ein elektrisch betätigbares Gasventil 13 gesteuert. Die ersten und zweiten Gasströmungswege 9, 10 können in einen vom Zylinderkopf 14 getrennt ausgeführten kombinierten Einlass-Auslass-Krümmerteil 15 angeordnet sein, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Alternativ dazu ist es auch möglich, dass die ersten und zweiten Gasströmungswege 9, 10 im Zylinderkopf 14 angeordnet sind und dass das Gasventil 13 direkt am Zylinderkopf 14 befestigt ist (Fig. 2).
Erste und zweite Gaszuführrohre 11, 12 sind unterschiedlich lang ausgeführt und münden in unterschiedlichen Querschnittsbereichen des Einlasskanals 3 in diesen ein. Dadurch wird erreicht, dass beide Teilkanäle 5, 6 gleichermaßen ausreichend mit Kraftstoff-Luftgemisch versorgt werden.
Das erste Gaszuführrohr 11 weist einen der Frischluftströmung S abgewendeten Längsschlitz 16 auf, welcher sich über einen Großteil des ersten Gaszuführrohres 11 erstreckt. Das Gaszuführrohr ist an seiner in den Einlasskanal ragenden Stirnseite 17 mit einer Mündungsöffnung 18 versehen. Der Längsschlitz 16 läuft zur Stirnseite hin in diese stirnseitige Mündungsöffnung 18 aus. Das erste Gaszuführrohr 11 ist im Bereich seiner Stirnseite 17 abgeschrägt, so dass die Öffnung 18 der Frischluftströmung S abgewendet ist.
Das über das Gasventil 13 zugeführte Gas strömt durch das erste und zweite Gaszuführrohr 11, 12 in den Einlasskanal 3 ein. Die Einströmung durch das erste Gaszuführrohr 11 erfolgt dabei über den gesamten Längsschlitz 16, sowie über die stirnseitige Mündungsöffnung 18. Dadurch entsteht eine relativ große Kontaktoberfläche mit der einströmenden Frischluft, wodurch eine besonders gute Durchmischung des Kraftstoffes mit der Frischluft erzeugt wird. Da das Gas über das erste und das zweite Gaszuführrohr 11, 12 in unterschiedliche Querschnittsbereiche des Einlasskanals 3 einströmt, wird die Durchmischung gefördert und erreicht, dass beide Teilkanäle 5, 6 mit Kraftstoff-Luft-Gemisch versorgt werden.
Wie in Fig. 4 im Detail dargestellt, kann das Gaszuführrohr 11 auch auf der der Frischluftströmung zugewandten Seite einen Längsschlitz oder ein Langloch 16' aufweisen. Nach Abschalten des Gasventils 13 wird das Gaszuführrohr 11 mit Frischluft gespült, indem ein Teil der Frischluft des Einlasskanals 3 durch den rückseitigen Längsschlitz bzw. das Langloch 16' sowie durch die stirnseitige Mündungsöffnung 18 des ersten Gaszuführrohres 11 ein- und durch den der Frischluftströmung abgewandten Längsschlitz 16 wieder austritt. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Gaszuführrohr 11 zumindest teilweise entgegen der Strömungsrichtung S der Frischluft im Einlasskanal 3 gerichtet ist, wie aus Fig. 3 beispielsweise hervorgeht. Dies wird erreicht, in dem das erste Gaszuführrohr 11 im Bereich einer äußeren Krümmung des Einlasskanals 3 in den Einlasskanal einmündet. Fig. 5 zeigt eine Vorkammer 101 im Längsschnitt. Die Vorkammer 101 ist im Zylinderkopf 102 einer nicht weiter dargestellten Brennkraftmaschine angeordnet. Der Innenraum 103 der Vorkammer 101 mündet über Öffnungen 104 in einen Hauptbrennraum 105 der Brennkraftmaschine.
Der Vorkammerkörper 106 der Vorkammer 101 ist mehrteilig ausgebildet und besteht zumindest aus einem ersten Teil 107 und einem den ersten Teil 107 in axialer Richtung abschließenden zweiten Teil 108. Die Längsachse der Vorkammer 101 ist mit 101a bezeichnet.
Der erste Teil 107 spannt den Innenraum 103 auf und weist einen zylindrischen Abschnitt 109 auf, in welchen eine zylindrische Ausnehmung 110 beispielsweise durch Fräsen oder Drehen eingeformt ist. In die Ausnehmung 110 des ersten Teiles 107 ist ein durch eine zylindrische Hülse 111 gebildeter thermischer Isoliereinsatz 112 eingesetzt, welcher einerseits die Wärmeverluste vermindert und andererseits die thermische Belastung des Vorkammerkörpers 106 reduziert. Die Verminderung der Wärmeverluste wird dabei einerseits durch die Trennfuge 113 zwischen Vorkammerkörper 106 und Isoliereinsatz 112, andererseits durch die Wahl eines wärmefesten Materials mit niedriger Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Keramik, realisiert.
Die innere Mantelfläche 114 der Hülse 111 schließt möglichst übergangslos an die Vorkammerwand 115 an, so dass Störungen im Strömungs- und Verbrennungsablauf innerhalb der Vorkammer 101 vermieden werden. Über den zweiten Teil 108 kann ein Einspritzventil und/oder eine Zündeinrichtung in den Innenraum 103 der Vorkammer 101 einmünden, wie durch Bezugszeichen 116 und 117 angedeutet ist.
Bei Zündstrahlmotoren und bei Motoren mit homogener Verbrennung in der Vorkammer 101 kann mit dieser Maßnahme zur Wärmeisolation eine sichere Selbstzündung gewährleistet und eine stabile, rasche Verbrennung in der Vorkammer 101 und in weiterer Folge im Hauptbrennraum 105 sichergestellt werden. Bei Zündstrahlmotoren ist eine Reduzierung der nötigen Einspritzmengen an flüssigem Brennstoff möglich, wodurch Vorteile bei den NOx-Emissionen erreicht werden können. Auch kann durch die bessere Wärmeisolation der Vorkammer 101 ein besseres Startverhalten der Brennkraftmaschine erzielt werden, da die für gutes Zündverhalten nötigen Temperaturniveaus schneller erreicht werden.
Vorteile hinsichtlich Startverhaltens, Zündung und Verbrennung sind auch bei Vorkammerkonzepten mit einer homogenen Verbrennung in der Vorkammer 101 festzustellen. Auch bei Vorkammer-Brennkraftmaschinen mit elektrischer Zündung lässt sich die Stabilität und die Geschwindigkeit der Verbrennung in der Vorkammer 101 und damit auch im Hauptbrennraum 105 steigern.
Die mit der Anmeldung eingereichten Patentansprüche sind Formulierungsvorschläge ohne Präjudiz für die Erzielung weitergehenden Patentschutzes. Die Anmelderin behält sich vor, noch weitere, bisher nur in der Beschreibung und/oder Zeichnungen offenbarte Merkmale zu beanspruchen.
In Unteransprüchen verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hautanspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin; sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmale der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen.
Die Gegenstände dieser Unteransprüche bilden jedoch auch selbständige Erfindungen, die eine von den Gegenständen der vorhergehenden Unteransprüche unabhängige Gestaltung aufweisen.
Die Erfindung ist auch nicht auf das (die) Ausführungsbeispiel(e) der Beschreibung beschränkt. Vielmehr sind im Rahmen der Erfindung zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, insbesondere solche Varianten, Elemente und Kombinationen und/oder Materialien, die zum Beispiel durch Kombination oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den in der allgemeinen Beschreibung Ausführungsformen sowie den Ansprüchen beschriebenen und in den Zeichnungen enthaltenen Merkmalen bzw. Elementen oder Verfahrensschritten erfinderisch sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand oder zu neuen Verfahrensschritten bzw. Verfahrensschrittfolgen führen, auch soweit sie Herstell-, Prüf- und Arbeitsverfahren betreffen.

Claims

PA T E N T A N S P R Ü C H E
1. Brennkraftmaschine, insbesondere Gas-Brennkraftmaschine mit zumindest einem Einlasskanal, in welchen zumindest ein durch ein Gaszuführrohr gebildeter Gasstromungsweg zur Zuführung des gasförmigen Kraftstoffes einmündet, wobei die Gaszufuhr zum Gasstromungsweg durch ein Gasventil steuerbar ist.
2. Brennkraftmaschine, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaszuführrohr zumindest einen Längsschlitz und/oder zumindest ein Langloch aufweist.
3. Brennkraftmaschine, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Längsschlitz zu einer stirnseitigen Mündungsöffnung des Gaszuführrohres hin ausläuft.
4. Brennkraftmaschine, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Längsschlitz oder ein Langloch auf der der Frischluftströmung abgewandten Seite des Gaszuführrohres und ggf. ein weiterer Längsschlitz oder ein weiters Langloch an der der Frischluftströmung zugewandten Seite angeordnet ist.
5. Brennkraftmaschine, insbesondere nach einem der Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaszuführrohr im Bereich der stirnseitigen Mündungsöffnung abgeschrägt ist, wobei die Mündungsöffnung bevorzugt auf der der Frischluftströmung im Einlasskanal abgewandten Seite angeordnet ist.
6. Brennkraftmaschine, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse des Gaszuführrohres zumindest teilweise entgegen der Frischluftströmung im Einlasskanal gerichtet ist.
7. Brennkraftmaschine, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Gasströmungswege, vorzugsweise ein erster und ein zweiter Gasstromungsweg, in unterschiedlichen Bereichen des Einlasskanals einmünden.
8. Brennkraftmaschine, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Gasstromungsweg- in Richtung der Frischluftströmung im Einlasskanal betrachtet - stromabwärts des ersten Gasströmungsweges in den Einlasskanal einmündet.
9. Brennkraftmaschine, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Gasstromungsweg in unterschiedlichen Querschnittsbereichen des Einlasskanals einmünden, wobei vorzugsweise der erste Einlassströmungsweg innerhalb des Einlasskanals länger ist, als der zweite Einlassströmungsweg.
10. Brennkraftmaschine, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder zweite Gasstromungsweg in einem kombinierten Einlass-Auslass-Krümmerteil angeordnet ist.
11. Brennkraftmaschine, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder zweite Gasstromungsweg im Zylinderkopf angeordnet ist.
12. Brennkraftmaschine, insbesondere Gas-Brennkraftmaschine, mit zumindest einer mit einem Hauptbrennraum verbundenen, einen Vorkammerkörper aufweisenden, Vorkammer zur Einleitung der Verbrennung, wobei die Vorkammer eine thermische Isolierung aufweist.
13. Brennkraftmaschine, insbesondere nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Isolierung durch einen in die Vorkammer eingesetzten Isolierungseinsatz gebildet ist.
14. Brennkraftmaschine, insbesondere nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Isoliereinsatz als Hülse ausgebildet ist.
15. Brennkraftmaschine, insbesondere nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse rotationssymmetrisch, vorzugsweise zylindrisch, geformt ist.
16. Brennkraftmaschine, insbesondere nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer zumindest abschnittsweise zylindrisch geformt ist.
17. Brennkraftmaschine, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse aus wärmefestem Material oder mehreren Materialen, vorzugsweise zumindest teilweise aus Keramik, besteht.
18. Brennkraftmaschine, insbesondere nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Mantelfläche der Hülse an die angrenzende Vorkammerwand plan anschließt.
19. Brennkraftmaschine, insbesondere nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorkammerkörper mehrteilig ausgebildet ist und zumindest aus einem die Hülse aufnehmenden ersten Teil und einem die Vorkammer in axialer Richtung abschließenden zweiten Teil besteht.
20. Brennkraftmaschine, insbesondere nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorkammerkörper eine vorzugsweise durch einen Fräs- oder Drehvorgang gestaltete Ausnehmung entsprechend der Form der Hülse aufweist.
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