DE4033843A1 - Zweistoff-brennkraftmaschine - Google Patents

Description

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

Stationäre Hubkolben-Brennkraftmaschinen, welche mit Erdgas oder anderen gasförmigen Brennstoffen betrieben werden, ver­ brauchen Zündenergie von einem Funken oder einer kleinen Vormenge bzw. Pilotmenge (typischerweise fünf Prozent des Gesamtbrennstoffs) eines flüssigen Brennstoffs, der eine ad­ äquate Cetanzahl (typischerweise Diesel-Brennstofföl) hat, die direkt in die Brennkammer gespritzt wird. Die pilotgezün­ deten Brennkraftmaschinen bedienen die Hauptindustrieabsatz­ gebiete, da diese gegenüber mittels funkengezündeten Brenn­ kraftmaschinen hinsichtlich der Haltbarkeit und des Leistungs­ vermögens überlegen sind und eine Konvertibilität zu und von einem vollständigen Betreiben mit Dieselbrennstoff gestatten. Diese pilotgezündeten Brennkraftmaschinen werden als "Gas- Diesel" oder "Zweistoff-Brennkraftmaschinen bezeichnet.

Typische Zweistoff-Brennkraftmaschinen sind in den US-PSen 46 03 674 (Tamaka), 44 63 734 (Akeroyd) und 45 27 516 (Foster) angegeben.

Die Steuerung der Brennkraftmaschinenemissionen, insbesonde­ re der NO_x-Emissionen, ist auch ein Gegenstand von Weiterent­ wicklungen, wie dies beispielsweise in US-PSen 43 06 526 (Schaub et al) und 45 24 730 (Doell et al) angegeben ist.

Obgleich die pilotgezündeten Brennkraftmaschinen derzeit im kommerziellen Einsatz bei Sattelzugfahrzeugen die Kraft­ stoffverbrauch günstigsten Antriebe darstellen, werden von diesen Brennkraftmaschinen Abgase mit ungünstigen Abgasemis­ sionswerten abgegeben, die sich mittels analytischer Verfah­ ren feststellen lassen und visuell als gelber Dunst erkenn­ bar sind. Es wurde viel Arbeit hinsichtlich der Untersuchun­ gen betreffend die ungünstigen Emissionswerte im Wettbewerb mit Flüssigpilotbrennstoff und der gasförmigen Primärbrenn­ stoffe zur Bereitstellung von Sauerstoff aufgewendet. Bei diesem Widerstreit zur Bereitstellung von Sauerstoff werden gasförmige Brennstoffmengen bevorzugt, und es wird der Anteil des Pilotbrennstoffs reduziert, woraus hohe Emissionswerte von dem Flüssigbrennstoff resultieren.

Die Erfindung zielt darauf ab, die Abgasemissionen zu steu­ ern, d. h. die gelbe Dunstbildung bei einer Zweistoffbetriebs­ art zu steuern, sowie im allgemeinen die Steuerung und die Beeinflussung auf weitere Abgasemissionen auszudehnen.

Ferner soll nach der Erfindung ein günstiger Brennstoffver­ brauch erzielt werden, um das Leistungsvermögen zu verbes­ sern und die Anwendungsgebiete für Zweistoff-Brennkraftma­ schinen zu erweitern.

Ferner bezweckt die Erfindung, die vorstehend genannten Ziel­ setzungen auf eine einfache Weise zu erreichen, welche ko­ stengünstig ist, eine ausreichende Standzeit der Bauteile si­ cherstellt und eine Flexibilität hinsichtlich des Einsatzge­ bietes erreicht wird.

Nach der Erfindung wird hierzu eine extern angeordnete, mit fluidförmigem Brennstoff gespeiste Brennerzellenanordnung bereitgestellt, welche in kommunizierender Verbindung mit der Hauptkolbenkammer ist, wobei eine solche Zelle eine Einrich­ tung zur optimalen Zündung eines brennstoffarmen, gasförmi­ gen Brennstoffgemisches in der Hauptkammer zum Zeitpunkt der maximalen Kompression am oberen Totpunkt des Kompressionshu­ bes gestattet.

Ferner bezweckt die Erfindung eine externe, unabhängige Bren­ nerzellenanordnung bereitzustellen, die auf einfache Weise bei Umrüstungen oder beim nachträglichen Einbau eingesetzt werden kann, und die sich auf einfache Weise bei einer Erst­ ausstattung herstellen läßt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung er­ geben sich aus der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeich­ nung. Darin zeigt:

Fig. 1 eine Teilschnittansicht einer typischen Vier­ takt-Brennkraftmaschine der V-Bauart, welche für eine hohe Leistung und einen Dauerleistungs­ betrieb ausgelegt ist,

Fig. 2 eine Querschnittsansicht mit Teilschnittdar­ stellung einer ähnlichen gewichtsmäßig leich­ teren Brennkraftmaschine für die Zusatzlei­ stungslieferung sowie für Offshore- und Schiff­ fahrtsanwendungen, welche mit einer geringfügig höheren Drehzahl arbeitet,

Fig. 3 eine schematische Teilschnittansicht einer Brennkammer, bei der die verbesserte Brennerzel­ lenanordnung vorgesehen ist, welche nach der Erfindung ausgelegt ist und die zur Anwendung bei der Brenngasbetriebsart und einer üblichen Einspritzdüse zur Verwendung bei der Betriebs­ art ausschließlich mit Diesel-Brennstoff be­ stimmt ist,

Fig. 4 eine vergrößerte Seitenansicht mit Teilschnitt­ darstellung der Brennerzelle nach Fig. 3,

Fig. 5 eine Seitenansicht einer Zylinderkopfanord­ nung, welche nach der Erfindung ausgelegt ist,

Fig. 6 eine Unteransicht längs der Linie 6-6 in Fig. 5 des Zylinderkopfs, wobei die Abdeckung abgenommen ist,

Fig. 7 eine Teilschnittdarstellung längs der Linie 7-7 in Fig. 6 zur Verdeutlichung der Ventil­ sitzeinsätze,

Fig. 8 eine Seitenansicht eines Kolbens in Schnitt­ darstellung, welcher nach der Erfindung aus­ gelegt ist, und

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines Zylinder­ kopfs nach der Erfindung.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnung und insbesondere auf die Fig. 1 und 2, in denen gleiche oder ähnliche Teile mit den­ selben Bezugszeichen versehen sind, ist eine typische Ausle­ gungsform einer Brennkraftmaschine 10 gezeigt, welche nach der Erfindung ausgelegt ist. Diese Brennkraftmaschine 1 um­ faßt eine Basis 12, die ein Mittelgestell 14 trägt, auf dem eine Mehrzahl von Zylinderblöcken 16 angebracht ist, die im Abstand gemäß einer "V"-förmigen Anordnung relativ zu dem Mittelgestell angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Basis, das Mittelgestell und die Mehrzahl von Zylinderblöcken je­ weils einstückig ausgelegt, um eine maximale Steifigkeit und eine bleibende Ausrichtung bei ihrer Verbindung zu erzielen. Eine axial angeordnete Arbeitskurbelwelle 18 ist in dem Mit­ telgestell angebracht, und sie ist längs ihrer Länge mit Hilfe von geeigneten Lagern gelagert und über Verbindungs­ stangen 20 mit komplementären Kolben 22 verbunden, die je­ weils in der Bohrung eines Zylinderblocks 16 angeordnet sind. Jeder Zylinder ist am oberen Ende mittels eines geeigne­ ten Kopfes 24 geschlossen, der normalerweise zwei Einlaßven­ tile 26 und zwei Auslaßventile 28 enthält, wobei die Ventil­ sitze vorzugsweise in Einsatzbauform ausgelegt sind und aus einem hochwärmebeständigen Material hergestellt sind. Die Ventile werden mit geeigneten Steuernockenwellen 30 gesteuert, welche mit Nockenrollen 32 zusammenarbeiten, die Schubstangen 34 haben und über Kipphebel 36 oder ähnliche geeignete Einrich­ tungen die Ventile zu ihrer Steuerung beaufschlagen. Im wesent­ lichen auf der Achse des Zylinderkopfs 24 zwischen den Venti­ len 26 und 28 ist eine Brennstoffeinspritzdüse 40 angeordnet, wie dies bei Diesel-Brennkraftmaschinen üblich ist. Bei der Einspritzeinrichtung 40 kann es sich um eine Mehrloch-Einspritz­ einrichtung handeln, die beispielsweise in der schwebenden Pa­ tentanmeldung von Helmeich angegeben ist, die den Titel trägt: "Zweistoff-Brennkraftmaschine mit geringen Emissionswerten und Verfahren zum Betreiben derselben". Auch ist ein zusätzliches Ventil 42 zum Starten der einzigen Diesel-Brennstoff-Brenn­ kraftmaschine vorgesehen, mittels dem die Zylinder durch die komprimierte Luft bewegt werden, bis die Kompressionskraft der Kolben das Luft/Brennstoffgemisch auf den Zündpunkt erwärmt, wenn eine Verbrennung bei normalem Arbeitsbetrieb auftritt. Die Teile der Brennkraftmaschine mit geringerer Leistung in Fig. 2 sind mit den gleichen Bezugsziffern versehen, es ist aber zusätzlich der Zusatz "a" vorgesehen.

Die Zweistoff-Brennkraftmaschine nach Fig. 1 ist eine LSVB Viertakt-Brennkraftmaschine, und die Zweistoff-Brennkraftma­ schine nach Fig. 2 ist eine KSV-Viertakt-Brennkraftmaschine. Beide werden von Cooper-Bessemer, einer Gesellschaft der Fir­ ma Cooper Industries, hergestellt, auf die die vorliegende Erfindung übertragen ist. Die Zweistoff-Brennkraftmaschinen umfassen eine Mehrzahl von Zylindern, und sie haben zweckmäs­ sigerweiße 12, 16 oder 20 Zylinder. Die LSVB- und KSV-Brenn­ kraftmaschinen sind abgewandelt unter Anwendung der Brenner­ zellenanordnung 50 (Fig. 3 und 4).

Die Brennerzelle ist hauptsächlich zweckmäßig bei jeglicher Bauart von großen Hubkolben-Brennkraftmaschinen unabhängig davon, ob sie stationär oder mobil betrieben werden. Die Erfindung ist im Hinblick auf den Wirkungsgrad am besten ge­ eignet für große Brennkraftmaschinen.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 3, 4 und 9 ist die Erfindung anhand einer Viertakt-Brennkraftmaschine dargestellt, bei der die Zylinder normalerweise mit einem gasförmigen Brenn­ stoff gespeist werden, und es sind zwei Brennerzellenanord­ nungen 50 vorgesehen, die mittels einer relativ kleinen Men­ ge eines Flüssigpilotbrennstoffes gezündet werden. Die selbst­ zündende Kammer 100 der Brennerzellenanordnung hat eine im wesentlichen segmentierte ferroparaboloidförmige Gestalt, und ihr Volumen beläuft sich in typischer Weise auf ein bis fünf Prozent des Volumens der Hauptkammer 17, die durch den Kolben 22, den Zylinderkopf 24 und die Wände des Zylinders 16 am obe­ ren Totpunkt des Kolbenhubs begrenzt wird. Jedoch können sich die Abmessungen der Selbstzündungskammer 100 auch auf solche Werte belaufen, daß bis zu fünfundzwanzig Prozent des Volu­ mens der Hauptzylinderkammer 17 bei einer klein bemessenen Brennkraftmaschine eingenommen wird, wenn sich die Hubbewegung an ihrer obersten Stelle befindet. Eine derartige Brenner­ zellenkammer 100 kann eine adäquate thermisch und chemisch aktive Menge an Stoffen abgeben, um den brennstoffarmen In­ halt der Hauptkammer 17 zu zünden. (Eine arme Verbrennung ist eine effektive Steuerungsmethode für gewisse Emissionsbestand­ teile einschließlich Stickoxiden, insbesondere von gasförmigen Brennstoffen.)

Nunmehr wird auf Fig. 4 Bezug genommen, die eine vergrößer­ te Ansicht der in Fig. 3 gezeigten Brennerzellenanordnung 50 zeigt. Die Anordnung 50 umfaßt einen im allgemeinen rohr­ förmigen Injektorkörper 60, der einen massiven Endabschnitt 62 hat, der ringförmig an in Abstand liegenden Abschnitten ausgenommen ist, wie dies bei 64 und 68 verdeutlicht ist, um eine Ringschulter 66 zu bilden, die eine radiale Anlage 67 im Hinblick auf die nachstehend angegebenen Zweckbestimmungen bildet. Das freie Ende des massiven Abschnitts 62 ist mit ei­ nem im allgemeinen segmentierten sphärischen Hohlraum 52 ver­ sehen, der den segmentierten Abschnitt 51 vorzugsweise in der Mitte der Kugelgestalt hat, d. h. es handelt sich um einen halbkugelförmigen Hohlraum, welcher ein vorbestimmtes Volu­ men für die jeweilige Brennkraftmaschinenart hat, für die diese Einrichtung bestimmt ist. Der Hohlraum 52 ist im wesent­ lichen symmetrisch zur Achse des rohrförmigen Körpers 60 und steht in kommunizierender Verbindung mit dem Innenraum des rohrförmigen Körpers 60 mit Hilfe eines in Winkelrichtung an­ geordneten Durchganges 70, der bei 72 und 74 eine Doppelgegen­ bohrung hat, welche sich nach außen in Richtung zu dem inne­ ren Hohlraum oder der Kammer 61 des rohrförmigen Körpers 60 von dem Hohlraum 52 wegweisend öffnen.

Die Geometrie der Brennerzellenkammer kann so gestaltet sein, daß sie eine vorspringende Kante oder eine Tasche zur Steu­ erung der Verdampfung, der Vermischung und der Zündung umfaßt.

Ein Injektor bzw. eine Einspritzeinrichtung 80 ist in die Ge­ genbohrung 74 eingeschraubt, welche gegen eine Dichtungsein­ richtung 82 anliegt, die am Basisteil der Gegenbohrung 72 vorgesehen ist, und sie umfaßt einen Zapfen oder eine Düse 84, die sich in den Durchgang 70 erstreckt. Die Einspritzeinrich­ tung 80 ist geringfügig schiefwinklig und unter einem Winkel in Relation zu der koaxialen Anordnung des Körpers 60 und des Hohlraums 52 derart angeordnet daß der Durchgang 70 gering­ fügig versetzt in den Hohlraum 52 unter tangentialer Anord­ nung hierzu mündet, wobei die Zweckbestimmungen hierfür nachstehend angegeben sind.

Die Einspritzeinrichtung kann eine Mehrloch-Einspritzeinrich­ tung sein, wie dies in der schwebenden Patentanmeldung von Helmeich mit der Bezeichnung "Zweistoff-Brennkraftmaschine mit niedrigen Emissionswerten und Verfahren zum Betreiben derselben" angegeben ist. Sie kann auch von einer Zapfendüse mit einer einzigen Öffnung gebildet werden, oder die Düsen­ auslegung kann durch die anderen Eigenschaften der Zündstoffe gegenüber Brennstofföl vorgegeben sein.

Eine Düse, die eine quer verlaufende Hinterschneidung und einen abgeschrägten Kopf 92 hat, besitzt eine schmale, randähnliche Kante 94 zur Bildung einer Abdichtung auf die nachstehend beschriebene Weise, und sie umfaßt einen segmen­ tierten paraboloidförmigen Hohlraum 93, der komplementär zu dem Hohlraum 52 an dem geraden Teil des paraboloidförmigen Endes 91 ausgelegt ist und einen Segmentabschnitt 95 am an­ deren Ende hat. Die Hohlräume 52 und 93 sind so kombiniert, daß man eine im allgemeinen segmentierte sphäroparaboloid­ förmige Kammer 100 erhält.

Die äußere Gestalt des Körpers der Düse 90, die von dem Kopf 92 nach unten verläuft, ist doppelkonisch ausgebildet, um einen kegelstumpfförmigen Abschnitt 96 und eine konische Spitze 98 zu erhalten. Der Hohlraum 93 steht mit dem Konus 98 über den Durchgang 102 in Verbindung, der im wesentlichen tangential zu der Oberfläche des Hohlraums 93 und im wesent­ lichen senkrecht zu der erzeugenden Fläche des Konus 98 an­ geordnet ist. Der Durchgang 102 ist etwas von der Tangential­ linie nach oben versetzt, die an den segmentierten sphäri­ schen Hohlraum gelegt ist, der in dem Ende des Kolbens 22 ausgelegt ist wenn dieser seine oberste Hubstellung ein­ nimmt.

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

Der Zylinderkopf 24 ist mit einem winkelig angeordneten Durch­ gang 120 versehen, der einen axial im Abstand angeordneten und mit einer Gegenbohrung versehenen Sitz 122 im Durchgang 123 hat, mit dem der Düsenkopfrand 94 in Dichtungseingriff ist, und zusätzlich ist axial im Abstand ein Durchgang 124 vorgesehen, welcher den rohrförmigen Körper 60 trägt und aus­ richtet. Die Schultereinrichtung 66 kann mittels Preßsitz in dem Durchgang 123 gebildet werden, und vorzugsweise ist eine nicht gezeigte geeignete Einrichtung vorgesehen, um den Durch­ gang 102 relativ zu der Hauptzyklinderkammer 17 auszurichten. In ähnlicher Weise ist der konische Abschnitt 96 so ausgelegt, daß er auf der scharfen Kante aufliegen kann, die sich durch den Schnitt des Durchgangs 120 und des Gegenbohrungssitzes 122 ergibt.

Ein Teil der Oberfläche des Kopfes 24, der mit dem Durchgang 120 verbunden ist, ist derart ausgestaltet, daß man eine ko­ nische Ausnehmung 121 erhält. Der Düsendurchgang 102 weist zu der konischen Ausnehmung 121.

Die Brennstoffzelle 50 ist eine selbstzündende Brennstoff­ zelle, d. h. eine Brennstoffzelle, die nur eine Selbstzün­ dungskammer 100 hat und keine Zündeinrichtung (d.h. keine Zündkerze) oder eine ähnliche externe oder Fremdzündungs­ einrichtung hat, die in direkter Verbindung mit der Kammer 100 ist.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 5 bis 7 und 9 umfaßt die Zy­ linderkopfanordnung 128 eine Abdeckung 129, welche nach der Abnahme die Ausrichtung der Gaseinlaß- oder Einlaßven­ tile 26 und der Auslaßventile 28 zu der Brennerzellenan­ ordnung 50 freilegt, die zwischen denselben angeordnet ist. Gehärtete Ringe 130 und 132 sind in die Ventilsitze 26 und 28 jeweils eingelassen.

Wie am deutlichsten aus Fig. 8 zu ersehen ist, haben die bei der Erfindung vorgesehenen Kolben 22 vorzugsweise eine als Stumpf ausgebildete sphärische Gestalt an ihren oberen End­ flächen 23. Der Kolben kann als einteiliges Gußstück ausge­ legt sein, oder er kann zweiteilig ausgelegt sein, wobei ein Stahlkopf 142 fest mit dem Kolbenschaft 140 verbunden ist. Geeignete Dichtringe 144 sowie eine Mehrzahl von Buchsen als Lager 146 für den Kolbenbolzen (nicht gezeigt) sind vorge­ sehen. Dieser als Stumpf ausgebildete sphärische Kolbenkopf 142 stellt eine bevorzugte Auslegungsform bei allen gasbetrie­ benen Brennkraftmaschinen dar. In Fig. 3 ist diese bevorzugte Ausführungsform mit einer gebrochenen Linie 23 dargestellt, während sich die durchgezogene Linie 23a auf den Kolbenkopf bezieht, der normalerweise bei Dieselbrennkraftmaschinen ein­ gesetzt wird.

Die Dieselbetriebsart wird normalerweise beim Starten der Zweistoff-Brennkraftmaschinen eingesetzt, obgleich die halb­ kugelförmigen Kolbenköpfe nicht die effizienteste Ausgestal­ tungsweise bei der Dieselbetriebsart darstellt. Dennoch rei­ chen sie für die bestimmungsgemäße Funktion aus, gemäß der diese ihren Zweck im Zusammenhang mit dem Starten, dem Auf­ wärmen und dem Betreiben der Brennkraftmaschine bei der Die­ selbrennstoffbetriebsart erfüllen. Selbst wenn die Diesel­ betriebsart zum Starten, Aufwärmen und zum vollständigen Be­ treiben mit Dieselbrennstoff genutzt wird, wird die Flüssig­ brennstoffzelle nach wie vor weiterbetrieben, um diese sauber zu halten, selbst wenn dies nicht erforderlich wäre. Auch soll die Brennerzelle sofort einsatzfähig sein, wenn die Brennstoffquelle auf gasförmigen Brennstoff umgeschaltet wird.

Die Erfindung läßt sich auch bei Zweitakt-Brennkraftmaschi­ nen sowie bei Viertakt-Brennkraftmaschinen anwenden. Der Durchmesser der Kolben, die bei diesen Brennkraftmaschinen vorgesehen sind, liegt im allgemeinen in der Größenordnung von 355,6 bis 500 mm (14 bis 20 inches), wobei der jewei­ lige Hub nicht von ausschlaggebender Bedeutung ist. Beim Ar­ beiten in der Gasbetriebsart wird die Brennerbrennstoffzel­ le kontinuierlich gezündet. Zweckmäßigerweise wird ein fet­ tes Brenngemisch eingesetzt, worunter zu verstehen ist, daß ein Luft/Brennstoffverhältnis von 10 : 1 vorhanden ist. Vor­ zugsweise beläuft sich dieses Verhältnis auf 8 : 1. Ein mage­ res Gemisch hätte ein Luft/Brennstoffverhältnis von mehr als 10 : 1, und es beläuft sich etwa auf näherungsweise 12:1.

Der Cetanwert des Flüssigbrennstoffes sollte so gewählt wer­ den, daß unter einer vorbestimmten Temperatur und eines vor­ bestimmten Druckes eine Zündung möglich ist. Die Gaszünd­ einstellung sollte derart gewählt werden, daß unter diesem vorbestimmten Druck eine Selbstzündung auftritt, und daher ist es erforderlich, die Flüssigbrennstoff-Brennerzelle ein­ zusetzen. Die Brennerzelle und ihr Flüssigbrennstoff sind so eingerichtet, daß eine Zündung unter dem Druck der in der oberen Zellenkammer komprimierten Stoffe auftritt. Während die Verbindungsbohrung 102 eine Verbindung zwischen der Kam­ mer 100 und der Hauptkolbenkammer 17 herstellt, nimmt die Brennerzelle die heißen, komprimierten Gase vom Kompressions­ hub des Kolbens 2 auf, und diese werden in die Kammer 100 mittels einer Verwirbelung durch die tangentiale Anordnung der Bohrung 102 eingebracht. Der Flüssigbrennstoff wird un­ ter einem Winkel relativ zu dem Strom der komprimierten Luft eingeleitet, und er wird entweder durch die Wärme der Luft gezündet, oder er wird gezündet, wenn er die Wand der Kammer 100 berührt. Er strömt dann unmittelbar chemisch und thermisch aus der Bohrung 102 und dient zur Zündung des komprimierten gasförmigen Brennstoffs in der Hauptkammer 17.

In diesem Zusammenhang ist es wesentlich, daß die Brenner­ zellenanordnung 50 extern vorgesehen ist und nicht einen Teil der Zylinderkammer bildet. Somit kann die Brennerzelle so­ wohl als ein Teil der Grundausstattung bei der Herstellung bilden, als auch ein Teil, das zur relativ einfachen Nach­ rüstung oder Umrüstung bei älteren Einstoff-Brennkraftma­ schinen zur Verfügung steht, oder das zur Verbesserung von Zweistoff-Brennkraftmaschinen genutzt werden kann.

Die Brennerzelle ermöglicht eine gesteuerte brennstoffrei­ che Verbrennung in der Brennerzelle. (Eine fette Verbren­ nung stellt ebenfalls eine wirksame Steuerungsweise im Hin­ blick auf gewisse Emissionen einschließlich Stickoxiden so­ wie bei Flüssigbrennstoffen dar.)

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

Bei der Erfindung wird die Aufgabe zur Bereitstellung der Energie zum Zünden einer magerbeschickten Hauptbrennkammer von der direkten Einspritzung eines Flüssigpilotbrennstof­ fes in die Brennkammer zu einer Brennerzelle mit gesteuer­ ter Verbrennung verlagert, die überwiegend die Energie durch einen gasförmigen Brennstoff liefert und leicht mit einer kleinen Menge eines Flüssigpilotbrennstoffes zur Zündung gebracht werden kann.

Das Spülen der Brennerzelle und die Einleitung des gasför­ migen Brennstoffes in die Brennerzelle erfolgen mittels Druckänderungen in dem Brennkraftmaschinenzylinder während der Expansion und der Kompression. Das Spülen kann aber auch dadurch unterstützt werden, daß man eine zeitliche gesteuer­ te Ventilbetätigung oder ein Öffnen von Einlaßeinrichtungen vorsieht, wenn gemeinsame oder gesonderte Quellen für Luft und/oder für Brennstoff für die Brennerzelle vorgesehen sind. Eine solche Auslegungsform ist in der Zeichnung nicht dar­ gestellt.

Die Zündung der Brennerzelle erfolgt normalerweise durch das Einspritzen einer Brennstoffmenge (Zündstoff) mit einem aus reichenden Selbstzündungsvermögen (Cetanzahl), um das Ein­ leiten der Verbrennung beim Eindringen des Luft/Brennstoff­ gemisches in die Brennerzelle zu erreichen, wobei die Tem­ peratur des Gemisches durch die Zylinderkompression auf ei­ nen gewissen Wert angestiegen ist. Die Zündung kann auch da­ durch eingeleitet werden, daß der Zündstoff in Kontakt mit einer heißen Fläche der Brennerzelle kommt. Auch können ir­ gendwelche Bauarten von extern versorgten Heizeinrichtungen vorgesehen sein.

Brennstofföl mit einem akzeptablen Cetanwert ist heutzutage kostengünstig als Zündstoff verfügbar. Jedoch können auch andere Flüssigkeiten oder Gase im Hinblick auf die Zündwil­ ligkeit, die Emissionssteuereigenschaften oder die Wirt­ schaftlichkeit gewählt werden. Die kleine Menge an Zündstoff, die bei der Brennerzelle erforderlich ist, ermöglicht den praktischen Einsatz von anderen Stoffen als das bisher übli­ che Brennöl.

Ein weiteres, wichtiges Anwendungsgebiet für die Erfindung ist darin zu sehen, daß man niedrigere Kompressionsverhält­ nisse bei den Brennkraftmaschinen zulassen kann, welche ei­ ne Versorgung mit empfindlichem Brennstoff (niedrige Oktan­ zahl) erforderlich machen. Die Zündquelle (Brennerzelle) kann hinsichtlich ihrer Ausgestaltung mehr oder weniger abhängig von der Wärme gewählt werden, die durch die Kompression er­ zeugt wird, und daher kann sie auch bei speziellen Anwen­ dungsgebieten zur Erfüllung ihrer Funktion kleiner bemessen werden. Eine Wärmesenke sowie die Verwendung von extern ge­ speisten Wärmequellen bieten eine weitgehende Flexibilität beim Einsatz.

Die Leistungsfähigkeit einer Diesel-Brennkraftmaschine bleibt unverändert bei der Erfindung aufrechterhalten, und es wird eine übliche Einspritzanlage 40 im Zylinderkopf 24 vorgesehen, welche gegebenenfalls gekühlt werden kann und die die Funk­ tionsfähigkeit im Bereitschaftsbetrieb aufrechterhält. Das Umschalten während des Arbeitens auf und von der Betriebs­ art mit vollständiger Dieselspeisung kann mit Hilfe von übli­ chen, heutzutage verfügbaren Verfahrensweisen bewerkstelligt werden.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die voranste­ hend beschriebenen Einzelheiten der bevorzugten Ausführungs­ formen beschränkt, sondern es sind zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, die der Fachmann im Bedarfsfall treffen wird, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen.

Claims (16)

1. Zweistoff-Brennkraftmaschine, die als eine Hubkolben- Brennkraftmaschine ausgelegt ist, und welche sowohl einen gasförmigen Brennstoff als auch einen flüssigen Brennstoff nutzen kann, gekennzeichnet durch eine extern angeordnete Brennerzelle (50) zum Zünden des gasförmigen Brennstoffs.

2. Zweistoff-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die externe Brennerzelle (50) eine Öffnungseinrichtung (102) hat, mittels der eine kommunizierende Verbindung mit wenigstens einem Zylinder (16) der Zweistoff-Brennkraftmaschine herstellbar ist, und daß die Brennerzelle eine Selbstzündungskammer (100) hat.

3. Zweistoff-Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Selbstzündungskammer (100) ein Volumen von 1 bis 25% des Volumens einer Hauptkolbenkammer hat, wenn man das Volumen mißt, wenn ein Kolben (22) in der Kolbenkammer (17) in der oberen Kolbenhubstellung ist.

4. Zweistoff-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerzelle (50) extern versorgbare Heizeinrichtungen zum Anheben des Temperaturgradienten an den inneren Flächen der Brennerzelle umfaßt, welche den Zweck verfolgen, die Zündung bei einem Kontakt des flüssigen Brennstoffes mit der Kammerfläche der Brennerzelle auszulösen.

5. Zweistoff-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerzelle (50) eine innere, im allgemeinen segmentierte sphäroparaboloidförmige Selbstzündungskammer (100), einen Durchgang (102), der eine Verbindung zwischen der Brennerzellenkammer (100) und der Hauptkammer (17) des Zylinders (16) in einer Hubkolben-Brenn­ kraftmaschine herstellt, welche von einem Kolben (22) und Zylinderwandungen und dem Zylinderkopf (24) begrenzt wird, wenn der Kolben sich in seiner obersten Stellung im Anschluß an den Kompressionshub befindet, und eine Einrichtung (80) umfaßt, mittels welcher Flüssigbrennstoff in die Brennerzellenkammer (100) an der oberen Stellung beim Kompressionshub eingeleitet wird.

6. Zweistoff-Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchgang (102), der eine Verbindung mit der Brennerzellenkammer (100) herstellt, im wesentlichen tangential relativ zu der Zellenkammer angeordnet ist, so daß durch den Kolben komprimierte und über den Durchgang in die Brennerzellenkammer eingeleitete Luft darin verwirbelt wird.

7. Zweistoff-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerzellenanordnung (50) eine Einspritzeinrichtung (80) zum Einleiten eines flüssigen Brennstoffes in die Brennerzellenkammer (100) umfaßt, und daß die Einspritzeinrichtung (80) unter einem Winkel relativ zur axialen Durchmesserrichtung der Brennerzellenkammer (100) angeordnet ist.

8. Zweistoff-Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzeinrichtung zwischen 4 und 5° versetzt zur Achse der Brennerzellenkammer angeordnet ist.

9. Zweistoff-Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen und einem flüssigen Brennstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Brennkraftmaschine eine Mehrzahl von Zylindern hat und jeder Zylinder einen Kolben, zwei Einlaßventile, zwei Auslaßventile und eine erste Flüssigbrennstoffeinspritz­ einrichtung hat, dadurch gekennzeichnet, daß
wenigstens eine Brennstoffbrennerzelle (50) vorgesehen ist, die mit wenigstens einem Zylinder (16) wirkverbunden ist,
die Brennerzelle eine Brennerzellendüse (90) an einem Ende hat und am anderen Ende eine Einrichtung zum Verbinden der Brennerzelle mit einer Brennstoffversorgung hat,
eine zweite Brennstoffeinspritzeinrichtung (80), die an der Brennerzelle unter einem vorbestimmten Winkel zu einer Achse der Brennerzelle angebracht ist,
die Brennerzelle eine Selbstzündungskammer (100) bildet,
die zweite Brennstoffeinspritzeinrichtung in Betriebsverbindung mit der Selbstzündungskammer durch einen Einspritzdüsendurchgang (70) ist,
der Einspritzdüsendurchgang (70) in die Selbstzündungskammer (100) unter einem vorbestimmten Winkel relativ zur Achse einmündet, und
ein Brennerdüsendurchgang (102) vorgesehen ist, der die Selbstzündungskammer (100) mit dem Zylinder (16) unter einem vorbestimmten Winkel zu einem oberen inneren Teil eines Zylinderkopfes (24) verbindet.

10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerzelle an dem einen Ende einen massiven Abschnitt (62) hat,
der massive Abschnitt ein erstes und ein zweites Ende hat,
ein Injektordurchgang (70) vorgesehen ist, der durch den massiven Abschnitt geht,
der Injektordurchgang (70) derart bemessen ist, daß die zweite Brennstoffeinspritzeinrichtung (80) unter einem vorbestimmten Winkel zu einer Achse der Brennerzelle gehalten ist,
das zweite Ende die Brennerdüse hat, und einen im allgemeinen segmentförmigen sphärischen Hohlraum (52) bildet, wobei der sphärische Teil mit dem Injektordüsendurchgang wirkverbunden ist, und die mit einem im allgemeinen segmentierten, paraboloidförmigen Hohlraum (39) verknöpft ist, der komplementär zu dem segmentierten sphärischen Hohlraum ausgebildet ist, um eine Selbstzündungskammer (100) zu bilden, die eine im allgemeinen segmentierte sphäroparaboloidförmige Gestalt hat, und
der Brennerdüsendurchgang (102) über das Segment (95) des segmentierten paraboloidförmigen Hohlraums (93) eine Verbindung mit der Selbstzündungskammer (100) herstellt.

11. Verbrennungsverfahren für eine Zweistoff-Hubkolben­ brennkraftmaschine nach Anspruch 1, welches die Schritte umfaßt, gemäß denen ein gasförmiges Brennstoffgemisch in die Kammer eines Zylinders der Brennkraftmaschine eingeleitet wird, das gasförmige Brennstoffgemisch mittels eines hin-und hergehend beweglichen Kolbens in dem Zylinder komprimiert wird und das komprimierte Brennstoffgemisch an der oberen Stelle des Kompressionshubes in der Zylinderkammer gezündet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das komprimierte Brennstoffgemisch mittels einer Brennstoffbrennerzelle gezündet wird, die außerhalb des Zylinders angeordnet ist, und daß die Brennerzelle eine Selbstzündungskammer hat.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des komprimierten gasförmigen Gemisches in die Brennerzelle über eine Einlaßeinrichtung eingeleitet wird, die mit der Zylinderkammer in Verbindung steht, und daß ein selbstzündender fluidförmiger Brennstoff in die Zelle eingeleitet wird, um die Zündung des Fluidbrennstoffs beim Kontakt mit dem komprimierten Gemisch und die Zündung des komprimierten gasförmigen Gemisches in der Zylinderkammer über die Öffnungseinrichtung zu bewirken.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige Gemisch in der Zylinderkammer ein brennstoffarmes Gemisch ist, um eine vollständige Verbrennung des gasförmigen Gemisches sicherzustellen.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine ein oder mehrere Zylinder und eine oder mehrere Brennerzellen hat, die Menge des Selbstzündungsbrennstoffes, der in die Selbstzündungskammer des Brenners oder die Selbstzündungskammern desselben eingeleitet wird, ein Bruchteil von ein bis fünf Prozent des von der Brennkraftmaschine verbrauchten Gesamtbrennstoffs in Abhängigkeit von der relativen Größe, der Geometrie und der Anzahl der Selbstzündungskammern ist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerzelle eine im wesentlichen sphärische Kammer umfaßt, die Öffnungseinrichtung tangential relativ zu der Brennerzellenkammer angeordnet ist, um einen Verwirbelungseffekt bei dem komprimierten gasförmigen Gemisch zu erzielen, das in die Brennerzellenkammer von der Zylinderkammer eingeleitet wird, und daß der Brennstoff in das komprimierte, verwirbelte, gasförmige Gemisch unter einem vorbestimmten Winkel eingeleitet wird, um sich mit diesem Strom zu koppeln, und eine vollständige Verbrennung im Anschluß an die Zündung sicherzustellen.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Winkel zwischen vier und fünf Grad schiefwinklig zur Achse der Brennerzellenkammer ist, wodurch eine vollständige Vermischung des Brennstoffs mit dem komprimierten gasförmigen Gemisch sichergestellt wird, welches über die Öffnungseinrichtung eingeleitet wird.