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DE19900231A1 - Verbrennungsmotor - Google Patents

Verbrennungsmotor

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DE19900231A1
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internal combustion
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fuel
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Bernhard Hoffschmidt
Robert Pitz-Paal
Peter Rietbrock
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Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Abstract

Ein Verbrennungsmotor weist einen Verbrennungsraum (12) auf, der von feststehenden Gehäusewänden (14, 16) und einem darin beweglichen Kolben (24) gebildet wird und in den Kraftstoff und Luft zugeführt wird. In dem Verbrennungsraum (12) ist ein gasdurchlässiger poröser Strukturkörper (26) angeordnet, in dem im wesentlichen die Verbrennung des Kraftstoffes stattfindet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor mit einem Verbrennungsraum, der von feststehenden Gehäusewänden und einem darin beweglichen Kolben gebildet wird.
Bei bekannten Verbrennungsmotoren ist die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem Verbrennungsraum in ihrem Ablauf schlecht beeinflußbar. Die Verbrennung findet im wesentlichen nur an der Oberfläche einer sich schnell ausbreitenden Verbrennungsfront statt, während bereits in den Randzonen der Verbrennungsfront trotz hoher Temperaturen keine Verbrennung mehr stattfindet. In den verbrennungsfreien heißen Randzonen entstehen durch entsprechende chemische Reaktionen Schadstoffe, beispielsweise Stickoxide. Bei der verbrauchsgünstigen Direkteinspritzung von Kraftstoff in den Verbrennungsraum ist die Verbrennung gegenüber herkömmlicher Kraftstoffeinleitung noch erheblich beschleunigt, so daß det Schadstoffausstoß und die Geräuschemission noch erhöht sind. Um den Verbrennungsvorgang in dem Verbrennungsraum zu verbessern, werden die Gehäusewände und insbesondere der Kolbenboden mit Mulden und/oder Erhebungen versehen, durch die eine bessere Durchmischung des Kraftstoff-Luft-Gemisches und dadurch eine gleichmäßigere Verbrennung erreicht wird. Mit diesen Maßnahmen konnten jedoch bisher nur kleine Verbesserungen bzgl. der Verbrennung erreicht werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Verbrennungsmotor mit einem verbesserten Verbrennungsablauf zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Gemäß der Erfindung wird in dem Verbrennungsraum ein gasdurchlässiger poröser Strukturkörper angeordnet, in dem im wesentlichen die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches stattfindet. Der poröse Strukturkörper wird derart positioniert, daß der Kraftstoff im wesentlichen in die Struktur eingeleitet wird und dort verbrennt. Die Verbrennung findet also nicht mehr innerhalb einer sich schnell fortpflanzenden dünnen Verbrennungsfront, sondern in dem gesamten Volumen des porösen Körpers statt. Die Verbrennung findet dadurch insgesamt verlangsamt und gleichzeitig in einem großen Volumen statt, wodurch einerseits eine verbesserte Verbrennung und damit weniger Schadstoffausstoß, und andererseits kleinere Druckgradienten und damit eine verringerte Geräuschemission bewirkt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Strukturkörper an dem Kolbenboden befestigt, kann jedoch auch an einer Gehäusewand befestigt sein. Dazu kann in dem Kolbenboden bzw. in der Gehäusewand eine Mulde vorgesehen sein, in die der Strukturkörper eingesetzt ist. Dadurch lassen sich auch poröse Strukturkörper im Verbrennungsraum unterbringen, ohne daß diese zu weit in den Verbrennungsraum hineinragen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine Kraftstoffzufuhr vorgesehen und der Strukturkörper im Bereich der Kraftstoffzufuhr angeordnet. Der Kraftstoff wird also direkt in den Strukturkörper eingespritzt, so daß sichergestellt ist, daß die Verbrennung im wesentlichen innerhalb des Strukturkörpers stattfindet.
Vorzugsweise ist eine Zündvorrichtung vorgesehen und der Strukturkörper im Bereich der Zündvorrichtung angeordnet. Auf diese Weise wird eine zuverlässige Zündung des Kraftstoff-Luft- Gemisches am gewünschten Verbrennungsort, nämlich in dem Strukturkörper, realisiert.
Der Strukturkörper kann aus keramischem oder aus metallischem Material bestehen und zur katalytischen Unterstützung der Verbrennung mit einem Katalysatormaterial beschichtet sein. Mit dem porösen Strukturkörper in dem Verbrennungsraum steht eine sehr große Oberfläche zur Einbringung katalytischer Materialien in den Verbrennungsraum zur Verfügung. Auf diese Weise kann die Verbrennung katalytisch unterstützt werden, wodurch ggf. eine anschließende Abgasreinigung durch einen Abgaskatalysator entfallen kann.
Der Strukturkörper kann aus Schüttungen, Füllkörpern, gestrickten Schäumen, geordneten Packungen oder Mischerstrukturen bestehen.
Vorzugsweise ist der Strukturkörper von Expansionskanälen durchdrungen, die die Durchdringbarkeit der porösen Struktur für den Kraftstoff und die Luft erhöhen bzw. das Kraftstoff- Luft-Gemisch beim Eintritt und Durchtritt durch den Strukturkörper lenken und gezielt und dosiert verteilen.
Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen sechs Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen direkteingespritzten Dieselmotor mit einem Strukturkörper im Kolbenboden,
Fig. 2 einen direkteingespritzten Dieselmotor mit einem Strukturkörper an einer Zylindergehäusewand,
Fig. 3 einen direkteingespritzten Otto-Motor mit Strukturkörper am Kolbenboden,
Fig. 4 einen direkteingespritzten Otto-Motor mit Strukturkörper an der Zylindergehäusewand im Bereich der Einspritzdüse,
Fig. 5 einen Dieselmotor mit Strukturkörper am Gehäuseboden und
Fig. 6 einen Otto-Motor mit Strukturkörper an einer Zylindergehäusewand im Bereich eines Einlaßventils.
In den Fig. 1-6 ist jeweils ein Zylinder 10 1-10 6 eines Hubkolbenmotors im Schnitt dargestellt. Bei jedem der dargestellten Metallzylinder 10 1-10 6 wird ein Brennraum 12, 32, 42 gebildet von den Gehäuseinnenwänden 14,16 des Zylinderblockes 22 und des Zylinderkopfes 15 und einem Kolbenboden 18, 20 eines Vertikal beweglichen Kolbens 22, 24.
Bei den Zylindern 10 1, 10 3, 10 5 der Fig. 1, 3 und 5 weist der Kolbenboden 18 des Kolbens 22 eine unsymmetrische Mulde 25 auf, in die ein ebenfalls unsymmetrischer gasdurchlässiger poröser. Strukturkörper 26 eingesetzt ist, der im Querschnitt annähernd tropfenförmig ist. Der Strukturkörper 26 bedeckt den gesamten Kolbenboden 18 und besteht aus keramischem Material, kann jedoch auch aus metallischem Material bestehen. Der Strukturkörper 26 ist mit einem Katalysatormaterial zur katalytischen Unterstützung der Verbrennung überzogen. Der Strukturkörper 26 ist aus einer festen Schüttung aufgebaut, kann jedoch auch aus Füllkörpern, gestrickten Schäumen, geordneten Packungen oder Mischerstrukturen aufgebaut sein. Der Strukturkörper 26 ist jeweils im Bereich einer Einspritzdüse 28 bzw. des Einlaßventils 29 angeordnet. Ferner ist in dem Strukturkörper 26 ein Expansionskanal 30 vorgesehen, der trichterartig und geschwungen ausgebildet ist, wobei seine Öffnung der Einspritzdüse 28 bzw. dem Einlaßventil 29 gegenüberliegend angeordnet ist.
In den Zylindern 10 2; 10 4; 10 6 der Fig. 2, 4 und 6 ist der Strukturkörper 34; 36 an der Zylinderkopfinnenwand 16 in einer Mulde angeordnet und ballig um die Einspritzdüse 28 bzw. das Einlaßventil 29 herum angeordnet. Im Bereich der Einspritzdüse 28 bzw. des Einlaßventils 29 ist jeweils ein Hohlraum 38 in dem Strukturkörper 34; 36 vorgesehen.
Die Zündkerze 35 ist jeweils derart im Zylinderkopf 15 angeordnet, daß sie zumindest bei Erreichen des oberen Totpunktes des Kolbens 22 in der Nähe des jeweiligen Strukturkörpers 26; 34; 36 ist, um das in dem Strukturkörper 26; 34; 36 konzentrierte Kraftstoff-Luft-Gemisch schnell entzünden zu können.
Im folgenden wird die Funktionsweise des Verbrennungsmotors 10 1-10 6 beschrieben:
Bei den Verbrennungsmotoren 10 1-10 4 der Fig. 1-4 wird bei Erreichen des in den Figuren jeweils dargestellten oberen Totpunktes des Kolbens 22 durch die Einspritzdüse 28 Kraftstoff in den Verbrennungsraum 12, 32 eingespritzt. Der eingespritzte Kraftstoff bewegt sich im wesentlichen in Richtung des Strukturkörpers 26, 34 und verteilt sich darin, ggf. auch durch den Expansionskanal 30 gelenkt. Sobald dieser Vorgang abgeschlossen ist, entzündet sich das Kraftstoff-Luft-Gemisch bei Dieselmotoren von selbst (Fig. 1 und 2) bzw. wird bei Otto-Motoren (Fig. 3 und 4) durch die Zündkerze 35 fremdgezündet.
Ähnlich verhält es sich bei dem in den Fig. 5 und 6 dargestellten Zylinder 10 5; 10 6, wobei hier ein Kraftstoff-Luft- Gemisch in einem Ansaugtakt durch das geöffnete Ventil 29 angesaugt und anschließend bei geschlossenem Ventil 29 verdichtet wurde.
Die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches findet größtenteils innerhalb des Strukturkörpers 26; 34; 36 statt, ist homogen, weist - auch bei Kraftstoff-Direkteinspritzung - keine hohen Druckgradienten auf und ist relativ lang andauernd, so daß eine schadstoffarme Verbrennung mit niedrigen Druckgradienten realisiert wird. Ferner wird die Qualität der Verbrennung hinsichtlich des Schadstoffausstoßes durch die Katalysatormaterial-Beschichtung des Struturkörpers verbessert, so daß eine anschließende katalytische Reinigung der Abgase entfallen kann.

Claims (16)

1. Verbrennungsmotor mit einem Verbrennungsraum (12; 32), der von feststehenden Gehäusewänden (14, 16) und einem darin beweglichen Kolben (22; 24) gebildet wird und in den Kraftstoff und Luft zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Verbrennungsraum (12; 32) ein gasdurchlässiger poröser Strukturkörper (26; 34; 36)angeordnet ist, in dem im wesentlichen die Verbrennung des Kraftstoffes stattfindet.
2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strukturkörper (26) von einem Expansionskanal (30) durchdrungen ist.
3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strukturkörper (26) an dem Kolbenboden (18) befestigt ist.
4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strukturkörper (34; 36) an einer Gehäusewand. (16) befestigt ist.
5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kolbenboden (18) bzw. in der Gehäusewand. (16) eine Mulde (25) vorgesehen ist, in die der Strukturkörper (26; 34; 36) eingesetzt ist.
6. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kraftstoffzufuhr vorgesehen ist und der Strukturkörper (34; 36) im Bereich der Kraftstoffzufuhr (28; 29) angeordnet ist.
7. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zündvorrichtung (35) vorgesehen ist und der Strukturkörper (26; 36) im Bereich der Zündvorrichtung angeordnet ist.
8. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strukturkörper (26; 34; 36) aus keramischem Material besteht.
9. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strukturkörper aus metallischem Material besteht.
10. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß der Strukturkörper (26; 34; 36) mit einem Katalysatormaterial zur katalytischen Unterstützung der Verbrennung beschichtet ist.
11. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß der Strukturkörper (26; 34; 36) aus einer festen Schüttung besteht.
12. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß der Strukturkörper (26; 34; 36) aus Füllkörpern besteht.
13. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß der Strukturkörper (26; 34; 36) aus gestrickten Schäumen besteht.
14. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß der Strukturkörper (26; 34; 36) aus geordneten Packungen besteht.
15. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß der Strukturkörper (26; 34; 36) aus Mischerstrukturen besteht.
16. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1-15, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ein Hubkolbenmotor (10 1-10 6) ist.
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