AT514813A4 - Anordnung aus einem Zylinderkopf und einem Vorkammersystem - Google Patents

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Abstract

Anordnung aus einem Zylinderkopf (1) und einem Vorkammersystem (2) für einen Verbrennungsmotor, wobei der Zylinderkopf eine Feuerplatte (3) zur Begrenzung einer Hauptbrennkammer (5) aufweist und das Vorkammersystem (2) zumindest teilweise in einer Öffnung (4) der Feuerplatte (3) angeordnet ist, wobei eine das Vorkammersystem (2) im Wesentlichen umgebende Kühlkavität (6) vorgesehen ist, welche in der Feuerplatte (3) und/oder in jenem Bereich des Vorkammersystems (2), welcher sich in der Öffnung (4) befindet, angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung aus einem Zylinderkopf und einemVorkammersystem für einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Insbesondere bei Gasmotoren, aber auch bei Verbrennungsmotoren im Allgemeinen,können Vorkammersysteme zur Zündung eines Brenngemischs in einerHauptbrennkammer eingesetzt werden. Diese Vorkammersysteme verfügen meistüber eine Vorbrennkammer, in der ein relativ leicht entzündliches Brenngemischentzündet werden kann. Es entsteht eine Zündfackel, die über einen Steigkanal undBohrungen dem Hauptverbrennungsraum zugeführt wird.
Dieses beschriebene Vorkammersystem wird meist in einem einstückigen Bauteilangeordnet, welches dann in einer Öffnung der Feuerplatte montiert wird. AlsFeuerplatte wird derjenige Teil des Zylinderkopfes bezeichnet, der denHauptbrennraum im Bereich der Zündvorrichtung - in diesem Fall also dasVorkammersystem - begrenzt.
In den meisten Fällen sind das Vorkammerbauteil sowie die Feuerplatte diejenigenBauteile des Verbrennungsmotors, die den höchsten Belastungen ausgesetztwerden. Insbesondere treten hier einige der höchsten Temperaturen während desBetriebs des Verbrennungsmotors auf. Folglich sind die Standzeiten desVorkammersystems und der Feuerplatte entscheidende Faktoren für dieLanglebigkeit von gattungsgemäßen Verbrennungsmotoren.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung aus einem Zylinderkopf und einemVorkammersystem bereitzustellen, die gegenüber dem Stand der Technikverlängerte Standzeiten erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1gelöst.
Dies geschieht, indem eine das Vorkammersystem im Wesentlichen umgebendeKühlkavität vorgesehen ist, welche in der Feuerplatte und/oder in jenem Bereich desVorkammersystems, welcher sich in der Öffnung befindet, angeordnet ist. Der
Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass bezüglich der Standzeitdie durch die Kühlung verringerte thermische Belastung die mechanischeSchwächung der beteiligten Bauteile aufwiegt. Diese Bauteile also die Feuerplatteund im Regelfall ein Vorkammerbauteil sowie allfällige Dichtungen halten also dieauftretenden mechanischen Beanspruchungen trotz dem Vorhandensein derKühlkavität aus und sind aufgrund der verringerten Temperatur zu erhöhtenStandzeiten fähig.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigenAnsprüchen definiert.
Besonders einfach kann die erfindungsgemäße Kühlkavität realisiert werden, indemwenigstens ein Vorkammerbauteil eine umgebende Nut aufweist, welche zusammenmit einer Innenwandung der Öffnung der Feuerplatte die Kühlkavität bildet, wobei dieInnenwandung der Öffnung vorzugsweise im Wesentlichen radial bezüglich einerLängsachse des Vorkammersystems angeordnet ist.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform mit Kanälen zum Zuführen undAbführen eines Kühlmediums, welche mit der Kühlkavität verbunden sind. Durch denständigen Austausch des Kühlmediums in der Kühlkavität kann die Wärmeabfuhrverbessert werden.
Um zu vermeiden, dass Kühlmedium aus der Kühlkavität austritt sind bevorzugt zwei- vorzugsweise ringförmige - Dichtungen zum Abdichten der Kühlkavitätvorgesehen.
Eine besonders einfache Bauweise für die Kanäle kann erreicht werden, indem dieKanäle - vorzugsweise vollständig - in der Feuerplatte angeordnet sind.
Besonders bevorzugt ist außerdem eine Ausführungsform, bei der die Kühlkavitäteine Eintrittsöffnung und eine von der Eintrittsöffnung beabstandete Austrittsöffnungfür Temperiermedium aufweist, wobei die Eintrittsöffnung und die Austrittsöffnungjeweils mit Kanälen verbunden sind. Dank des im Betrieb ständig vorbeiströmenden Kühlmediums kann die Wärmeabfuhr, die durch die Kühlkavität ermöglicht wird,weiter verbessert und optimiert werden.
Als Kühlmedium können Flüssigkeiten zum Einsatz kommen. Aufgrund ihrerWärmekapazität und ihrer Wärmeleitungseigenschaften sind dabei Wasser, wässrigeGemische oder öl besonders bevorzugt.
Es können aber auch Gase, insbesondere Druckluft, als Kühlmedium zum Einsatzkommen. Dies hat gegenüber Flüssigkeiten als Kühlmedium den Vorteil, dass kleineLeckagen tolerierbar sein können und deshalb weniger Aufwand zur Abdichtung derKühlkavität und gegebenenfalls der Kanäle getrieben werden muss.
Bevorzugt ist weiterhin eine Ausführungsform bei der die Kühlkavität imWesentlichen ringförmig ist. Hierdurch wird eine gleichmäßige Wärmeabfuhr in alleRichtungen ermöglicht.
Dadurch, dass die Kühlkavität bezüglich einer Längsachse des Vorkammersystemseinen im Wesentlichen polygonalen Querschnitt aufweist, kann die Kühlkavität an dieForm des Vorkammersystems angepasst werden. Eine weiter verbesserteWärmeabfuhr ist die Folge.
Dies gilt insbesondere dann, wenn das Vorkammersystem einen Steigkanal undBohrungen zur Führung einer Zündfackel zum Hauptbrennraum umfasst, wobei dieKühlkavität im Wesentlichen den Steigkanal umgibt.
Des Weiteren wird Schutz für einen Verbrennungsmotor mit einemerfindungsgemäßen Zylinderkopf begehrt.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der Figurensowie der dazugehörigen Figurenbeschreibung. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung aus einem Zylinderkopf und einemVorkammersystem und
Fig.2 eine schematische Schnittdarstellung durch die erfindungsgemäße
Anordnung in der Ebene der Kühlkavität.
Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf 1 mit Vorkammersystem 2 ineiner Schnittdarstellung. Das Vorkammersystem 2 umfasst in dieserAusführungsform eine Vorbrennkammer 15, einen Steigkanal 13 sowie mehrerenBohrungen 14. Das Vorkammersystem 2 ist in einer Öffnung 4 der Feuerplatte 3angeordnet. Der einfachen Fertigung halber sind diese Teile des Vorkammersystems2 in einem einzigen Vorkammerbauteil 7 angeordnet. Die Kühlkavität 6 umgibt denSteigkanal 13 ringförmig.
Die Kühlkavität 6 wird im Wesentlichen von einer Nut 8 im Vorkammerbauteil 7zusammen mit einer Innenwandung 9 der Öffnung 4, in welcher dasVorkammerbauteil 7 angeordnet ist, gebildet. Zur Abdichtung der Kühlkavität 6 sindzwei als Dichtungsringe ausgebildete Dichtungen 11 vorgesehen.
Die Form der Kühlkavität 6 ist der rohrförmigen Form des Steigkanals 13 angepasst,indem eine dem Steigkanal 13 zugewandte Begrenzungsfläche der Kühlkavität 6zylindermantelförmig ist. Zusammen mit Flächen, die zur Fixierung der Dichtungen11 dienen, ergibt sich radial bezügliche einer Längsachse L ein polygonalerQuerschnitt der Kühlkavität 6.
In diesem Ausführungsbeispiel ist das Vorkammersystem im Wesentlichensymmetrisch bezüglich der Längsachse L. Dies ist aber für die Erfindung nichtwesentlich.
Die Innenwandung 9 der Öffnung 4 in der Feuerplatte 3 weist eine Eintrittsöffnung 17und eine Austrittsöffnung 18 auf. Durch diese Öffnungen ist die Kühlkavität 6 mit zweiKanälen 12 verbunden. Diese Kanäle 12 ermöglichen die Zufuhr und die Abfuhr vonKühlmedium zur und von der Kühlkavität 6. Die Fließrichtung ist dabei durch Pfeileangedeutet.
Eine einfache Fertigung der Kanäle wird erreicht, indem in Abwesenheit desVorkammerbauteils 7 zwei zueinander rechtwinklige Bohrungen durchgeführt werden, wobei die eine Bohrung in der Ebene der Feuerplatte verläuft und dieandere senkrecht dazu. Diese senkrechte Bohrung erlaubt es auf einfache WeiseKühlmedium in den Kühlmantel 16 des Zylinderkopfes 1 zu fördern.
Figur 2 stellt einen schematischen Schnitt durch die Feuerplatte 3 und dasVorkammersystem 2 in der Ebene der Kühlkavität 6 dar. Die Kühlkavität 6 umgibt dasVorkammersystem 2 im Bereich des Steigkanals 13. Durch die Eintrittsöffnung 17wird über einen Kanal 12 von einer schematisch dargestellten Pumpe 19Kühlmedium in die Kühlkavität 6 gefördert. Die durch Pfeile angedeutete Strömungverlässt die Kühlkavität 6 durch die Austrittsöffnung 18. Überden Kanal 12 gelangtdas Kühlmedium wieder zur Pumpe 19.
Typischerweise ist die Pumpe 19 so ausgebildet, dass in der Kühlkavität 6Strömungsgeschwindigkeiten von 0,5 m/s bis 10 m/s erreicht werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die hier darstellte Ausführungsformbeschränkt. Beispielsweise kann statt der Nut 8 im Vorkammerbauteil 7 jeweils eineStufe im Vorkammerbauteil 7 und in der Feuerplatte 3 vorgesehen sein, welche inZusammenwirkung die Kühlkavität 6 bilden. Es ist aber auch ohne weiteres möglich,die Kühlkavität in das Vorkammerbauteil zu integrieren. Aber auch eine Kühlkavität,die ringförmig um die Öffnung angeordnet ist und vom Vorkammerbauteil 7beabstandet ist, ist denkbar.

Claims (13)

  1. Patentansprüche: 1. Anordnung aus einem Zylinderkopf (1) und einem Vorkammersystem (2) füreinen Verbrennungsmotor, wobei der Zylinderkopf eine Feuerplatte (3) zurBegrenzung einer Hauptbrennkammer (5) aufweist und das Vorkammersystem (2) zumindest teilweise in einer Öffnung (4) der Feuerplatte (3) angeordnet ist,dadurch gekennzeichnet, dass eine das Vorkammersystem (2) im Wesentlichenumgebende Kühlkavität (6) vorgesehen ist, welche in der Feuerplatte (3)und/oder in jenem Bereich des Vorkammersystems (2), welcher sich in derÖffnung (4) befindet, angeordnet ist.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dasVorkammersystem (2) in wenigstens einem Vorkammerbauteil (7) angeordnetist.
  3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstenseine Vorkammerbauteil (7) eine umgebende Nut (8) aufweist, welchezusammen mit einer Innenwandung (9) der Öffnung (4) der Feuerplatte (3) dieKühlkavität (6) bildet, wobei die Innenwandung (9) der Öffnung (4)vorzugsweise im Wesentlichen radial bezüglich einer Längsachse (L) desVorkammersystems (2) angeordnet ist.
  4. 4. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurchgekennzeichnet, dass zwei - vorzugsweise ringförmige - Dichtungen (11) zumAbdichten der Kühlkavität (6) vorgesehen sind.
  5. 5. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurchgekennzeichnet, dass mit der Kühlkavität (6) verbundene Kanäle (12) zumZuführen und Abführen eines Kühlmediums vorgesehen sind.
  6. 6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (12) -vorzugsweise vollständig - in der Feuerplatte (3) angeordnet sind.
  7. 7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieKühlkavität (6) eine Eintrittsöffnung (17) und eine von der Eintrittsöffnung (17)beabstandete Austrittsöffnung (18) für Temperiermedium aufweist, wobei dieEintrittsöffnung (17) und die Austrittsöffnung (18) jeweils mit Kanälen (12)verbunden sind.
  8. 8. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurchgekennzeichnet, dass als Kühlmedium Flüssigkeiten, insbesondere Wasser,wässrige Gemische oder Öl, verwendbar sind.
  9. 9. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurchgekennzeichnet, dass als Kühlmedium Gase, insbesondere Druckluftverwendbar sind.
  10. 10. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurchgekennzeichnet, dass die Kühlkavität (6) im Wesentlichen ringförmig ist.
  11. 11. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurchgekennzeichnet, dass die Kühlkavität (6) bezüglich einer Längsachse (L) desVorkammersystems (2) einen im Wesentlichen polygonalen Querschnittaufweist.
  12. 12. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurchgekennzeichnet, dass das Vorkammersystem (2) einen Steigkanal (13) undBohrungen (14) zur Führung einer Zündfackel zum Hauptbrenn raum (5)umfasst, wobei die Kühlkavität (6) im Wesentlichen den Steigkanal (13) umgibt.
  13. 13. Verbrennungsmotor mit einer Anordnung nach wenigstens einem derAnsprüche 1 bis 12.
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