DE3101910C2

DE3101910C2 - Kohlenstaubmotor

Info

Publication number: DE3101910C2
Application number: DE3101910A
Authority: DE
Inventors: Otto Dipl.-Ing. 7000 Stuttgart Lefnaer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-01-22
Filing date: 1981-01-22
Publication date: 1984-01-19
Also published as: DE3101910A1; US4393818A

Abstract

Bei einem Kohlenstaubmotor wird zur Herabsetzung des Konstruktionsgewichts vorgeschlagen, das Kohlenstaubluftgemisch bei einem niedrigen Druck von etwa 5 bis 7 atü in die Wirbelkammer (15) einzublasen und zwar während des Verdichtungshubs des Kolbens (1), wobei während des Einblasvorgangs der Druck im Kolbenraum (17) stets größer gehalten wird als der in der Wirbelkammer (15) vorhandene Mischdruck, entstehend aus Verdichtungs- und Einblasluft. Durch den niedrig gewählten Einblasdruck ist kein Hochdruckverdichter erforderlich, so daß ein geringes Konstruktionsgewicht auch einen Einbau solcher Kohlenstaubmotoren in Fahrzeuge ermöglicht. Das geringe Gewicht ermöglicht auch einen hinsichtlich Drehzahl und Belastung elastischen Betrieb bei langer Lebensdauer mit geringem Verschleiß.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kohlenstaubmotor mit mindestens einem Kolben und einer mit dem Kolbenraum verbundenen Wirbelkammer, in die ein Kohlenogiih-i iift-Qpmici^h iintpr Dnirk während des Verdichtungshubs des Kolbens einblasbar ist.

Ein solcher Kohlenstaubmotor ist aus der DE-PS 19 279 bekannt Zum Einblasen des dort verwendeten Kohlenstaub-Abgas-Gemisches sind eine Dosierkammer und drei Ventiie erforderlich, nämiich ein Ventil zum Abschließen der'Dosierkammer, ein Ventil zum Abschließen· der Wirbelkammer und ein Ventil für die Zuführung von Spülgas zur Reinigung der beiden erstgenannten Ventile nach dem Füllen der Wirbelkammer. Beim Spülen der Ventile durch das mit relativ hohem Druck eingeführte Spülgas kann Kohlenstaub zu einem unerwünscht frühen Zeitpunkt in den Kolbenraum gelangen und so zu einem unerwünscht hohen Verschleiß führen.

In einer Veröffentlichung »Einige Betriebsprobleme des Kohlenstaubmotors« in der MTZ 1971, 379 bis 81 wird beschrieben, zur Vermeidung eines vorzeitigen Eintritts von Kohlenstaub in den Verbrennungsraum mittels einer Hilfspumpe Gas aus der Wirbelkammer abzuziehen. Eine solche zusätzliche Hilfspumpe ist aber sehr aufwendig und das beschriebene Verfahren wird nur bei der Füllung der Wirbelkammer währeiH des Saughubs verwendet Ein Austreten von Kohlenstaub in den Koibenraum kann trotzdem nicht sicher verhindert werden.

Weiter sind Kohlenstaubmotoren bekannt, bei denen mittels des Ansaughubes durch Unterdruck im Kolbenraum Kohlenstaub, durch ein geeignetes Ventil gesteuert, in eine dem Hauptverbrennungsraum vorgelagerte und zu diesem offene »Beikammer« angesaugt wird. Durch den dein Ansaughub unmittelbar nachfolgenden Verdichtungshub soll bei diesen Motoren der Brennstaub in der Beikammer vor seinem Austritt in den Hauptverbrennungsraum vorerst zurückgedrückt und nach Erreichen der Zündtemperatur gezündet und durch den hierdurch ausgelösten Druckanstieg bereits brennend in den Hauptverbrennungsraum ausgeblasen werden. Alle nach diesem System gebauten Motoren hatten thermisch und verbrennungstechnisch ungünstige flaschenförmige Vorkammern zur Voraussetzung ihrer Funktion und konnten trotzdem ein »Durchfallen« des Staubes in den Koibenraum vor seiner Zündung nicht verhindern. Es erfolgte ein unerwünscht hoher Verschleiß, da der bereits lange vor seiner Zündung in den Hauptverbrennungsraum gelangte Staub von der ölfeuchten Zylinderbüchse festgehalten zwischen KoI-ben und Zylinderwände gelangte. Auch die in der Beikammer bereits gezündeten Staubanteile, die nicht genug Sauerstoff vorfanden, kamen angekokt an die ölfeuchten Zylinderbüchsen und hierzu noch Ascheteilchen, die alle gemeinsam zu weiteren schmirgelnden Verschleißwirkungen führten. Außerc^m war bei diesen Kohlenstaubmotoren eine der jeweiligen Belastung und dem daraus gegebenen Wärmezustand des Motors entsprechende Beeinflussung des Zündzeitpunktes, ebenso unmöglich wie eine elastische Drehzahl- und Leistungsregelung. Diese »Beikammer«-Motoren waren für den stationären Betrieb mit großen Nachteilen verbunden und für den Betrieb von Fahrzeugen völlig unbrauchbar.
Weiter sind Kohlenstaubmotoren bekannt, bei denen Kohlenstaub unter eimern hohen Druck von etwa 70 bar in den Kolbenraum eingeblasen wird. Der erforderliche Aufwand für die hierzu mehrstufig verdichtete Einblas-Iu ft ist erheblich und bedingt ein höheres Motorgewicht so daß solche Motoren gut für den Beirieb in Schiffen und stationären Kraftwerken, jedoch weniger für den Einbau in Fahrzeuge geeignet sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es. einen Kohlenstaubmotor der eingangs genannten Art so auszubilden, daß ein möglichst geringer Verschleiß im Betrieb auftritt, wobei dies durch konstruktiv möglichst einfache Mittel erreicht wefdcn suli.

Zur Lösung dieser Aufgäbe sieht die Erfindung vor,· 4; daß das Kohlenstaub-Luft-Gemtsch bei einem niedrigen $ Druck von etwa 5 bis 7 bar eirigebläsen wird, und daß während des gesamten Einblasvorgangs der Druck im Kolbenraum stets größer gehalten ist als der in der Wirbelkammer vorhandene Mischdruck aus Verdichtungs- und Einblaseluft

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Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß während des Einblasvorgangs stets eine Luftströmung vom Kolbenraum zur Wirbelkammer besteht, durch die ein vorzeitiges Austreten von Kohlenstaub aus der Wirbelkammer in den Kohlenraum sicher verhindert -, wird. Ein solches Austreten von Kohlenstaub ist gerade bei niedrigem Druck beim Verdichtungsbeginn besonders schädlich. Die Kohlenteilciien sind noch kalt und neigen daher besonders leicht zum Anhaften an der ölbenetzten Zylindentand, aber auch in Wandnähe to verbrennen solche kalten Teilchen infolge ihrer hohen Energieausstrahlung zur kalten Kolbenwand hin wesentlich schlechter als später eintretende, durch die Kompression höher erwärmte Kohlensta»btei!ch·. :

Durch das Einbringen des Kohlenstaub Luft J-;mi- π sches bei noch relativ niedrigem Druck bleiln. dem Gemisch während der Kompression gen-"'jend Zeit zur Wärmeübertragung Luft-Kohlenstai«:. Die Kohlenstaubteilchen sind hier bereits .-«it sauerstoffhaltiger Verbrennungsluft umgeben und nu.¹ wie beim Gegenstand der DE-PS 7 19 279 durch praktisch sauerstofffreie Abgase, so daß eine optimale Verbrennung möglich ist Zur Einleitung der Verbrennung muß liier nicht sauerstoffreiche Luft erst zugeführt und mit den Abgasen vermischt werden, um die Verbrennung einzuleiten, so daß beim Anmeldegegenstand eine größere Zeitspanne für eine vollkommene Verbrennung zur Verfügung steht, so daß durch die geringeren Verbrennungsrückstände eine weitere Verschleißminderung eintritt. j_(t

Vorteilhaft ist beim Anmeldegegenstand noch, daß keine zusätzlichen Ventile und keine Abgasrückführung in verschiedenen Druckstufenhöhen zusammen mit der Abgasreinigung und Kühlung erforderlich sind.

Durch die Verschleißminderung ist eine wesentliche Erhöhung der Lebensdauer erreichbar.

Durch die Verwendung einer Niederdruckeinblasung sind keine aufwendigen Luftkompressionsvorrichtungen für hohe Luftdrücke erforderlich, wobei durch die verschiedenen Zeitpunkte der Einblasung des Kohlenstaubes in die bereits heiße Verdichtungsluft eine für einen elastischen Betrieb entsprechende Beeinflussung des Zündzeitpunktes durch die entsprechend starke oder weniger starke Vorerhitzung der Kohlenstaubpartikel gewährleistet ist

Vorteilhafterweise kann die Einblasung etwa bei einem Kurbelwinkel zwischen HO und 70° vor dem oberen Totpunkt erfolgen, wobei zur Anpassung an unterschiedliche Drehzahlen und wechselnde Belastungen diese Winkel beispielsweise den Erfordernissen entsprechend um etwa iö° vanierbar sind. Vorteiihafterweise kann der Einblasbeginn und/oder das Einblasende vorzugsweise über eine elektronische Regelung regelbar sein, so daß ein elastischer, gut anpaßbarer Betrieb eine Verwendung des erfindungsgemäßen Kohlenstaubmoiors besonders auch in bahrzeugen ermöglicht Rasch wechselnde Betriebsbedingungen können hierdurch gemeistert werden.

Vorteilhaft kann hierzu auch noch die Einbiasmenge . über die Einblasdauer regelbar sein, beispielsweise durch eine Hubsteuerung des E[nblasyenWs|mi(tHilfe der Elekiroriik^; öder über eine Steüerkurveiitfeispielsweise in Form eines Raumnockens.

Zweckmäßigerweise kann der Drück der Druckluft ■ für die Kohlenstaubeinhlasung über einen Druckausgleichbehälter etwa konstant gehalten werden, In Weiterentwicklung der Erfindung kann der Druck im Druckausgleichbehälter und/oder der Versorgungsdruck für das Einblasventil über mindestens einen Druckregler einstellbar und/oder konstant haltbar sein. Vorteilhaft kann er in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und/oder der Motorbelastung regelbar sein, um ein möglichst elastisches Betriebsverhalten zu erreichen.

Eine gute Durchwirbelung und Verbrennung des Kohlenstaubs kann dadurch erreich* werden, daß die Vor-'oder Wirbelkammer über einen Verbindungskanal etwa radial entlang der Stirnwand in den Kolbenraum mündet Es ist aber auch jede andere Anordnung des Verbindungskanals, z. B. auch eine zentrale Anordnung parallel zur Hubrichtung in der Stirnwand des Kolbenraums möglich.

Durch die Verwendung einer Niederdruckeinblasung sind keine aufwendigen Luftkompressionsvorrichtungen für hohe Luftdrücke erforderlich, wobei durch die verschiedenen Zeitpunkte der Einblasung des Kohlenstaubs in die bereits heiße Verdichtungstuft eine für einen elastischen Betrieb entsprechende Beeinflussung des Zündzeitpunktes durch die entsp/echend starke oder weniger starke Vorerhitzung der K^h¹ nstaubpartiketgewährleistet ist

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der anschließenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. In den Zeichnungen zeigt

F ig. 1 einen schematischen Schnitt durch einen KöMenstaubmotor,

F i g. 2 ein Druckdiagramm,

Fig.3 eine zu Fig.2 gehörende Darstellung des zugeordneten Kurbelwinkels für verschieden? Arbeitsounkte,

Fig.4 einen Teilquerschnitt durch einen Teil der Wirbelkammer und des oberen Kolbenraums bei einer anderen Ausführungsform eines Kohlenstaubmotors.

Für die entsprechenden Teile in allen Zeichnungen werden die gleichen Bezugszeichen verwendet

Der in F i g. 1 schematisch dargestellte Kohlenstaubmotor weist einen zweistufigen Kolben 1 auf, der über eine Pleuelstange 2 mit einer Kurbelwelle 3 verbunden ist Der zugehörige Kolbenbolzen 4 ist dabei etwa in der Mitte :es im Durchmesser größeren Stufenkolbens Γ vorgesehen. Sowohl dieser Stufenkolben Γ als auch der eigentliche Kolben 1" sind in einer abgestuften Laufbüchse 5 geführt Durch die abgesetzte Laufbuchse 5 und den Kolben 1 wird ein ringförmiger Verdichtungsraum 6 gebildet wobei durch die Kolbenbewegung über automatische Ventile 7, vorzugsweise in Form von federbelasteten Rückschlagventilen, Luft angesaugt und über automatische Ventile 8 die komprimierte Luft über einen Schmutzölabscheider 9 einem Abführkanal 10 und ein weiteres Rückschlagventii ii einem Druckausglei behälter 12 zugeführt wird.

Der Oruckausgleichbehälter 12 ist über einen Druckregler 13 mit einem Einblasventil 14 verbunden, wobei über dieses Eintlasventil 14 ein Kohlenstaubluftgemisch in eine Wirbelkammer 15 einblasuar ist Die Wirbelkammer 15 selbst ist über einen Verbindungskanal 16 mit dem Kolbenraum 17 verbunden. Bei dem in F i g. 1 dargestellten /»usführungsbeispiel mündet der Verbindungskaiia! 16 radial in den Kolbenraum 17 und zwar nahe an dessen Stirnwand48, wobei-def Kolben und/öder der Zylinderkopf eine der SirömungsficHtung entsprechende Einbuchtung in Richtung des Verbindungskanals 16 besitzen kann. In dieser Stirnwand 18 ist zentral ein Auslaßventil 19 vorgesehen. Diese Einbuchtung wird zweckmäßigerweise in angemessenem Abstand von der Zylinderwand auslaufen.

Der Kolben 1 ist im Ausfübrungsbeispiel der F i g. 1 in

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seiner unteren Totpunktstellung dargestellt In dieser Stellung sind Schlitze 20 freigegeben, die artt Umfang der Laufbuchse 5 angeordnet über einen Verbindungskanal 21 mit dem Kurbelkasten 22 in Verbindung stehen. Durch die Hubbewegung des Kolbens 1 wird Ober ein Rückschlagventil 23 Frischluft in den Kurbelkasten 22 eingesaugt, die rn der gezeichneten Stellung gemäß den Pfeilen durch den Kolbenraum 17 diesen durchspülend und mit Frischluft versorgend zum Auslaßventil 19 strömen und dort auch teilweise austreten kann,

Der Kolben V ist an seinem kolbenräümseitigen Ende im Durchmesser etwas kleiner ausgebildet als der Durchmesser der Laufbuchse 5. so daß ein Ringspalt 24 zwischen Kolben Γ und der Wandung der Laufbüchse 5 entsteht Kurz vor dem ersten Kolbenring 25 sind in der unteren Totpunktstellung in der Laufbüchse 5 Durchbrüche 26 vorgesehen, die mit einem Ringraum 27 in Verbindung stehen, der seinerseits mit dem Abführkanal 10 verbunden ist In dieser unteren Totpunktlage kann durch diese Durchbrüche 26 unter Druck stehende Frischluft in den Ringspalt 24 einströmen. Diese Frischluft bilde; einen Lu'tspeicher. so daß ein Eindringen von Schmutzteilchen nach Möglichkeit verhindert wird. Durch die Luftströmung wird eventuell doch eingedrungener Schmutz weggeblasen und gleichzeitig erfolgt auch eine Kühlung von Kolben 1 und Laufbuchse 5. Dadurch, daß die ganzen Luftströmungen von der Laufbüchsenwandung ausgehen, wird eine Schmulzanlagerung von Kohlenstaub und Verbrennungsresten gering gehalten, so daß der Verschleiß möglichst niedrig bleibt

Da eine Verschmutzung des den Kolben 1" schmierenden Öls nicht ganz vermeidbar ist wird hinten austretendes Schmutzöl in einer Sammelrinne 28 gesammelt und während des Verdichtungshubes über das automatische Ventil 8 dem Schmutzölabscheider 9 zugeführt

Insbesondere zur Erleichterung des Aniaßvorgangs kann der Verbindungskanal 16 über eine Wärmequelle 29. beispielsweise in Form elektrischer Glühkörper oder einer Flamme (Fig. 4), erwärmt und/oder warmgehalten weraen. so daß die auch bei kaltem Motor in die Vor oder Wirbelkammer einströmende Verdichtungsluft so angeheizt wird, daß der erfindungsgemäße Motor, ähnlich einem Fahrzeugd*eselmotor, kurz nach dem Anlaßvorgang anspringt

Die Auslegung der Volumenverhältnisse erfolgt so. daß im Druckausgleichbehälter während des Betriebes sich ein Druck ν or, etwa 5 bis 7 bar einstellt Wie in den Diagrammen der F i g. 2 und 3 ersichtlich ist, erfolgt das Einblasen des Kohlenstaubluftgemisches im Kompressionshub des Kolbens 1, nachdem die Schlitze 20 abgedeckt sind, vorzugsweise während eines Kurbelwinkels zwischen etwa 110" und 70" vor dem oberen Totpunkt. Die Einblasdauer erstreckt sich also über einen Kufbelwinkel von etwa 40°, wobei der Einbiasebeginn und das Einblasende dem gewünschten Zündzeitpunkt in Abhängigkeit Von der

to Drehzahl und Belastung dei Motors in größerem Maße abweichen kann; Während der Kompression steigt der Druck im Kolbenraum 17 an. durch die Brennstaubeinblasung steigt aber auch der Druck in der Wirbelkammer 15 an. Die Einblasmenge und das Volumen der Wirbelkammer 15 sind so bemessen, daß der Druck im Kolbenraum 17 immer etwas größer ist als der wirksame Mischdruck in der Wirbelkammer 15. Hierdurch ist sichergestellt daß immer etwas komprimierte Luft vom Kolbenra'im 17 in die Wirbelkammer 15 während des Einblasvorgangs einströmt Dadurch wird sicher ein Eindringen von Kohlenstaub in den Kolbenraum 17 verhindert, so daß während der Hauptkompressionszeit keine verschleißverursachen den Verunreinigungen in den Kolbenraum 17 eindringen können. Durch die Kompression erfolgt ein Temperaturanstieg der komprimierten Gase. Hierdurch wird aer in die Wirbelkammer 15 eingeblasene Kohlensta'ib thermisch aufbereitet und es tritt dann kurz vor Erreichen des oberen Totpunkts, etwa 15°

jo Kurbelwinkel vorher, oie Aunaung des Kohlenstaubluftgemischs in der Wirbelkammer 15 ein. Durch die auftretende Verbrennung erfoigt dann ein starker Druckanstieg in der Wirbelkammer 15 und unter w.-iterer Verbrennung erfolgt dann eine Expansion dieses Gemisches in den Kolbenraum 17 unier weiterer Verbrennung und Verwirbelung.

Die Druckverhältnisse sind während eines Arbeitszyklus in F i g. 2 dargestellt Dabei ist mit Position 30 der Versorgungsdruck am Einblasventil 14 bezeichnet wobei die Einblasung zwischen dem Einblasungsanfang 31 und dem Einblasende 32 erfoigt Die ausgezogene Kurve zeigt den Druckverlauf in der Wirbelkammer 15, während der gestrichelt eingezeichnete Druckverlauf der höhere Druck im Kolbenraum 17 ist

Die verbrennungsraumseitige Stirnwand des Kolbens 1" und/oder die verbrennungsraumseitige Stirnwand 18 des Zylinderkopfes kann in Richtung des Verbindungskanals 16 Einbuchtungen 33 aufweisen.

Hierzu 3 Biatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: 31 0191C

1. Kohlenstaubmotor mit mindestens einem Kolben (I) nnd einer mit dem Kolbenraum (17) verbundenen Wirbelkammer (15), m die ein Kohlenstaub-Luft-Gemisch unter Druck während des Verdichtungshubs <des Kolbens (1) einblasbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlenstaub-Luft-Gemisch bei einem niedrigen Druck von etwa 5 bis 7 bar eingeblasen wird, und daß während des gesamten Einblasvorgangs der Druck im Kolbenraum (17) stets größer gehalten ist als der in der Wirbelkammer (15) vorhandene Mischdruck aus Verdichtungs- und EinblaselufL

2. Kohlenstaubmotor nach Anspruch i, dadurch ■gekennzeichnet, daß die Einblasung bei einem Kurbelwinkel zwischen etwa 110 bis 70° vor dem oberen Totpunkt erfolgt

3. Komensiaubmotor nach Ansprach 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckluft für die •Einblasung ür-r»r einen Druckausgleichbehälter (i">) zum Einblasveittil (14) geführt ist.

4. Kohlenstaubmotor nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet daß der Druck im Druckausgleichbehälter (12) und/oder der Versorgungsdruck für das Einblasventil (14) über mindestens einen Druckregler (13) einstellbar und/oder konstant haltbar ist

5. Kohlenstaubmotor nach Anspruch 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Versorgungsdruck für das Einblasventil (14) in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und/oder der Motorbelastung regelbar ist.

■ 6. Kohlenstaubmotor nach Anspruch 1 oder 2, mit mindestens belasuingsajhängii.~'r Regelung der Kohlenstaubeinblasung (Ehib'a: mfang 31 und/oder Einblasende 32), dadurch gekennzeichnet daß die Einblasmenge über die Einblasdauer durch eine elektronische Regelung in Abhängigkeit von der Drehzahl regelbar ist

7. Kohlenstaubmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelkammer (15) über einen Verbindungskanal (16) etwa radial entlang der Stirnwand (18) in den Kolbenraum {17) mündet.

8. Kohlenstaubmotor na. h einem der Ansprüche f bis 7. dadurch gekennzeichnet, daß zur Veränderung des Zündzeitpunktes der Einblaszeitpunkt verändert wird.