AT524198A1

AT524198A1 - Vorkammerzündeinheit

Info

Publication number: AT524198A1
Application number: ATA50128/2021A
Authority: AT
Inventors: Murakami Dr Shinsuke
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2021-02-25
Filing date: 2021-02-25
Publication date: 2022-02-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorkammerzündeinheit (1), insbesondere für einen Großmotor, mit einer durch eine Vorkammerwand (4) gebildeten Vorkammer (5) mit einem ein erstes Vorkammerende (8) bildenden Hauptraum (6) und einen ein zweites Vorkammerende (12) bildenden Überströmraum (7), wobei die Vorkammer (5) eine größte axiale Gesamterstreckung (L) in Richtung einer Vorkammerlängsachse (5a) und entlang dieser Vorkammerlängsachse (5a) unterschiedlich große Querschnittsflächen (F1, F2, F3, Fmax) aufweist, wobei im Bereich des ersten Vorkammerendes (8) die Querschnittsfläche größer ist als im Bereich des zweiten Vorkammerendes (12), und wobei im Bereich des ersten Vorkammerendes (8) eine Zündeinrichtung (9) und zumindest ein Kraftstoffzuführkanal (13) in den Hauptraum (6) der Vorkammer (5) einmündet und im Bereich des zweiten Vorkammerendes (12) zumindest ein Überströmkanal (13) in der Vorkammerwand (4) angeordnet ist. Um einen stabilen und starken Verbrennungsablauf zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass zumindest ein Kraftstoffzuführkanal (10) drallerzeugend ausgebildet. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennkraftmaschine (100) mit einer derartigen Vorkammerzündeinheit (1) und ein Verfahren zu deren Betreiben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorkammerzündeinheit, insbesondere für einen Großmotor, mit einer durch eine Vorkammerwand gebildeten Vorkammer mit einem ein erstes Vorkammerende bildenden Hauptraum und einen ein zweites Vorkammerende bildenden Überströmraum, wobei die Vorkammer eine größte axiale Gesamterstreckung in Richtung einer Vorkammerlängsachse und entlang dieser Vorkammerlängsachse unterschiedlich große Querschnittsflächen aufweist, wobei im Bereich des ersten Vorkammerendes die Querschnittsfläche größer ist als im Bereich des dem ersten Vorkammerende entgegengesetzten zweiten Vorkammerendes, und wobei im Bereich des ersten Vorkammerendes eine Zündeinrichtung und zumindest ein Kraftstoffzuführkanal in den Hauptraum der Vorkammer einmündet und im Bereich des zweiten Vorkammerendes zumindest ein

Überströmkanal in der Vorkammerwand angeordnet ist.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennkraftmaschine mit zumindest einer derartigen Vorkammerzündeinheit und ein Verfahren zum Betreiben einer

Brennkraftmaschine mit einer derartigen Vorkammerzündeinheit.

Dabei ist diese Vorkammerzündeinheit für eine Brennkraftmaschine mit ottomotorischer Verbrennung mit einer Verbrennung von einem gasförmigen Kraftstoff vorgesehen. Als Kraftstoff kann dabei beispielsweise Erdgas eingesetzt werden. Es ist auch die Verbrennung von jedem anderen gasförmigen Kraftstoff möglich.

Aus der AT 516 619 A4 ist ein Zylinderkopf mit einer Vorkammerzündeinheit mit einer Vorkammer bekannt, wobei im Bereich eines oberen ersten Vorkammerendes eine Zündkerze in einen Hauptraum der Vorkammer mündet. Weiters mündet im Bereich des ersten Endes seitlich in den Hauptraum ein Kraftstoffkanal ein. Unterhalb des Hauptraumes weist die Vorkammer einen Überströmraum mit geringerem Querschnitt als der Hauptraum auf, wobei der Überströmraum über Überströmkanäle im Bereich eines unteren zweiten Vorkammerendes mit dem

Brennraum strömungsverbunden ist.

Die DE 10 2008 062 572 A1 beschreibt eine Zündkerze für eine Brennkraftmaschine mit einer Vorkammer zur Aufnahme eines zündfähgen Mediums und mit einer

Lasereinrichtung zur Beaufschlagung eines in der Vorkammer angeordneten

Zündzeitpunktes mit Laserstrahlung. Die Vorkammer weist einen Hauptraum und

einen Überströmraum mit in den Brennraum mündende Überströmkanäle auf.

Eine weitere Vorkammerzündkerze mit einer Vorkammer, in welche eine Zündeinrichtung einmündet, ist aus der DE 10 2011 053 530 A1 bekannt. Die Vorkammerzündkerze weist eine Endkappe mit einem mittleren Loch und mehrere Randöffnungen auf, welche zum Erzeugen einer Verwirbelung in der

Vorbrennkammer konfiguriert sind.

Die WO 2012/091739 A2 und die WO 2013/033668 A1 offenbaren jeweils ein Vorkammerzündsystem mit einer in eine Vorkammer mündenden Zündeinrichtung, wobei die Vorkammer mehrere drallerzeugende Überströmkanäle in der

brennraumseitigen Vorkammerwand aufweist.

Die Strömungsstruktur, das Turbulenzniveau, der Gemischzustand und die Restgasverteilung in der Vorkammer und an der Zündkerze haben einen wesentlichen Einfluss auf die Qualität der Zündung und der Verbrennung in der Vorkammer. Die Strömungsstruktur in der Vorkammer zum Zeitpunkt der Zündung ist bei bekannten Vorkammerzündeinheit oft zufällig, resultierend aus den Strömungen, die während des Verdichtungstaktes aus dem Hauptbrennraum in die Vorkammer strömen, beeinflusst von der Restströmungsstruktur in der Vorkammer aus dem vorherigen Zyklus und der zusätzlichen Kraftstoffzufuhr in die Vorkammer, welche bei bekannten Vorkammerzündeinheiten über zur Vorkammermitte

gerichtete Kraftstoffzuführkanäle erfolgt.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Vorkammerzündeinheit der eingangs genannten Art einen stabilen und starken Verbrennungsablauf zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass zumindest ein Kraftstoffzuführkanal drallerzeugend ausgebildet ist.

Durch den zumindest einen drallerzeugend ausgebildeten Kraftstoffzuführkanal wird

eine reproduzierbare Drallströmung in der Vorkammer induziert.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn der zumindest eine drallerzeugend ausgebildete Kraftstoffzuführkanal eine Kraftstoffkanallängsachse aufweist, welche windschief in

Bezug auf die Vorkammerlängsachse angeordnet ist, wobei vorzugsweise ein auf

einer ersten Minimaltransversale gemessener Normalabstand zwischen der Kraftstoffkanallängsachse und der Vorkammerlängsachse mindestens 20% des kleinsten Durchmessers des Hauptraumes im Bereich des ersten Endes - gemessen in einer Normalebene auf die Vorkammerlängsachse -- beträgt. Der drallerzeugende Kraftstoffzuführkanal mündet somit mit einer ausgeprägten Tangentialkomponente in den Hauptraum der Vorkammer ein. Dadurch kann eine starke und stabile Verbrennung in der Vorkammer mit reduzierten zyklischen

Schwankungen gewährleistet werden.

Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bedeutet windschief, dass die so zueinander angeordneten Gerade sich weder schneiden noch parallel, insbesondere geneigt zueinander sind. Mit anderen Worten ist die Kraftstoffkanallängsachse zur Vorkammerlängsachse weder parallel noch schneidet sie sich mit dieser, bzw. ist

insbesondere geneigt zu deren Verlauf ausgeführt.

Unter der Minimaltransversale wird vorliegend diejenige Gerade verstanden, auf der das Gemeinlot zwischen zwei windschiefen Geraden liegt. Diese ist diejenige eindeutig bestimmte Gerade, welche im rechten Winkel zu den beiden Geraden steht.

Eine Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass der Kraftstoffzuführkanal mit einer Normalebene auf die Vorkammerlängsachse einen Winkel von maximal 60°, vorzugsweise von maximal zwischen 45°, besonders vorzugsweise von maximal 30° einschließt. Somit wird in der Vorkammer eine schraubenförmig nach unten - also in Richtung des zweiten Vorkammerendes - gerichtete Drallströmung

induziert.

Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die in Richtung der Vorkammerlängsachse gemessene axiale Erstreckung des Hauptraumes und/oder Überströmraumes etwa 50% 410% der axialen Gesamterstreckung der Vorkammer beträgt, wobei vorzugsweise in einem mittleren Drittelbereich der axialen Gesamterstreckung der Vorkammer zwischen dem

Hauptraum und dem Überströmraum ein Übergangsbereich ausgebildet ist.

Um eine genau definierte Strömungsstruktur in der Vorkammer zu erzeugen ist es weiters vorteilhaft, wenn im Bereich des Überströmraumes und/oder in zumindest

einem Übergangsbereich zwischen dem Überströmraum und dem Hauptraum

zumindest eine Querschnittsfläche eine von der Kreisform abweichende Form aufweist, wobei vorzugsweise die Querschnittsfläche eine achsen-, dreh- und/oder punktsymmetrische, besonders vorzugsweise eine tropfenartige Form aufweist. Durch die von der vollen Kreisform abweichende Querschnittsform wird in der Vorkammer eine in jedem Verbrennungszyklus reproduzierbare Walzenströmung

induziert.

Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung zur Gewährleistung einer reproduzierbaren Strömung in der Vorkammer ist zumindest ein Überströmkanal drallerzeugend ausgebildet. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der zumindest eine drallerzeugend ausgebildete Überströmkanal eine Überströmkanallängsachse aufweist, welche windschief in Bezug auf die Vorkammerlängsachse angeordnet ist, wobei vorzugsweise ein auf einer zweiten Minimaltransversale gemessener Normalabstand zwischen der Überströmkanallängsachse und der Vorkammerlängsachse mindestens 20% des kleinsten Durchmessers des Überströmraumes im Bereich des zweiten Endes - gemessen in einer Normalebene auf die Vorkammerlängsachse -- beträgt. Besonders günstig ist es, wenn der zumindest eine drallerzeugend ausgebildete Überströmkanal mit einer Normalebene auf die Vorkammerlängsachse einen Winkel von maximal 60°, vorzugsweise von

maximal 45°, besonders vorzugsweise von maximal 30° einschließt.

Zur Ausbildung einer starken Drallströmung in der Vorkammer ist es vorteilhaft, wenn zumindest zwei Überströmkanäle bezüglich der Vorkammerlängsachse drehund/oder punktsymmetrisch angeordnet sind. Durch die genau vorgegebene Orientierung der Überströmkanäle wird bei Einströmen der Gase aus dem Brennraum durch die Überströmkanäle in die Vorkammer eine reproduzierbare

schraubenförmige Drallströmung im Überströmraum und dem Hauptraum induziert.

Die Vorkammer ist strukturiert konzipiert und weist in jedem Bereich ihrer Längenstreckung eine verbrennungsoptimierte Querschnittsfläche auf. Eine besonders starke und stabile Verbrennung lässt sich erzielen, wenn der Hauptraum —- normal zur Vorkammerachse betrachtet - seine größte Querschnittsfläche und/oder zumindest eine kreisförmige Querschnittsfläche in einem vom ersten Vorkammerende in einem ersten Abstand axial entfernten ersten Bereich aufweist, wobei ein in Richtung der Vorkammerachse gemessener erster Abstand zwischen

dem ersten Vorkammerende und dem ersten Bereich mindestens 20%,

vorzugsweise mindestens 30%, besonders vorzugsweise mindestens 50%, beträgt, wobei vorzugsweise die größte Querschnittsfläche eine kreisförmige Querschnittsfläche aufweist.

Für eine stabile Verbrennung ist eine reproduzierbare Strömungsstruktur mit hoher turbulenter kinetischer Energie in der Vorkammer von Vorteil. Um dies zu ermöglichen ist es günstig, wenn die in der Vorkammer durch die drallerzeugenden Maßnahmen erzeugte Strömungsstruktur gestört und die Strömungsgeschwindigkeit der Strömungsstruktur in Turbulenz umgewandelt wird. Dies kann gemäß einer Ausführung der Erfindung erreicht werden, wenn der Hauptraum zwischen dem ersten Vorkammerende und dem ersten Bereich eine Querschnittsfläche mit einer von der Kreisform abweichenden Form aufweist, wobei vorzugsweise die Querschnittsfläche eine achsen-, dreh- und/oder punktsymmetrische, besonders vorzugsweise eine quadratische Form oder tropfenartige Form aufweist. Eine Störung der definierten Strömungsstruktur kann weiters erreicht werden, wenn der Hauptraum zwischen dem ersten Vorkammerende und dem ersten Bereich zumindest eine Querschnittsfläche mit mindestens einer von der Vorkammerwand vorstehenden Strömungsabrisskante aufweist, welche eine Ablösung der Drallströmung von der Vorkammerwand bewirkt. Die Querschnittsfläche kann beispielsweise eine kreissektorartige Form aufweisen. Unter einer kreissektorartigen Form wird hier nicht nur ein aus der Geometrie bekannter Kreissektor als Teilfläche einer Kreisfläche verstanden, die von einem Kreisbogen und zwei Kreisradien begrenzt wird, sondern auch eine Teilfläche einer Kreisfläche, die von einem Kreisbogen und zwei sich schneidenden vorzugsweise gleich langen - Geraden begrenzt wird, deren Länge geringer ist als die Kreisradien der Kreisfläche.

Zur Erzeugung einer stabilen Verbrennung ist es weiters vorteilhaft, wenn die Vorkammerwand des Hauptraumes zwischen dem ersten Vorkammerende und dem ersten Bereich mit der größten Querschnittsfläche - in Richtung des Überströmraumes - überhängend ausgebildet ist, wobei die Vorkammerwand in einem direkt an das erste Vorkammerendes anschließenden Bereich in Bezug zur Vorkammerlängsachse unter einem Winkel >10°, vorzugsweise >20°, geneigt

ausgebildet ist.

Der Hauptraum kann gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung zumindest in einem Bereich, vorzugsweise in einem direkt an das erste Vorkammerende anschließenden Bereich, die Form eines sich in Richtung des ersten Vorkammerendes verjüngenden Kegelstumpfes aufweisen. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass der Hauptraum zumindest in einem Bereich - vorzugsweise in einem direkt an das erste Vorkammerende anschließenden Bereich oder in einem an eine Basis des Kegelstumpfes anschließenden Bereich - eine kugelsegmentartige

Form aufweist.

In weiterer Ausführung der Erfindung kann auch eine Kombination von Kegelstumpf und kugelsegmenartiger Form vorgesehen sein. Beispielsweise kann der Hauptraum in einem direkt an das erste Vorkammerende anschließenden Bereich die Form eines sich in Richtung des ersten Vorkammerendes verjüngenden Kegelstumpfes aufweisen und in einem an eine Basis des Kegelstumpfes anschließenden Bereich eine kugelsegmentartige Form aufweisen.

Umgekehrt kann auch der Hauptraum in einem direkt an das erste Vorkammerende anschließenden Bereich eine kugelsegmentartige Form aufweisen und daran in Richtung der Vorkammerlängsachse anschließend die Form eines Kegelstumpfes

aufweisen.

Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch eine eingangs genannte Brennkraftmaschine mit zumindest einer Vorkammerzündeinheit wie weiter oben

beschrieben gelöst.

Darüber hinaus kann ein stabiler und starker Verbrennungsablauf mit einem eingangs genannten Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine erreicht

werden, bei dem erfindungsgemäß folgende Schritte durchgeführt werden:

a. Erzeugen einer reproduzierbaren Strömungsstruktur in der Vorkammer, welche vorzugsweise eine Drallkomponente um die Vorkammerlängsachse aufweist;

b. Zerstören der reproduzierbaren Strömungsstruktur und Umwandeln in eine turbulente Strömung;

C. Lenken der turbulenten Strömung in Richtung des Zündortes der

Zündeinrichtung.

Das Erzeugen der reproduzierbaren Strömungsstruktur in Schritt a) erfolgt in einer Ausführung der Erfindung durch ein drallbehaftetes Einströmen des Kraftstoffes in die Vorkammer mit einer Drallkomponente um die Vorkammerlängsachse, wobei vorzugsweise Brennraumgas aus einem Brennraum der Brennkraftmaschine mit einer Drallkomponente um die Vorkammerlängsachse in die Vorkammer geleitet und/oder Brennraumgas mit einer Walzenströmungskomponente um eine Normale zur Vorkammerlängsachse vom Überströmraum in den Hauptraum der Vorkammer

geleitet wird.

Eine Ausführungsvariante der Erfindung sieht in Weiterführung des Schrittes b) vor, dass die reproduzierbare Strömungsstruktur zerstört wird, indem die Strömung über zumindest eine Abrisskante, Stufe oder Unebenheit der Vorkammerwand und/oder zumindest eine abrupte Änderung der Querschnittsfläche des

Hauptraumes geleitet wird.

In Weiterführung des Schrittes c) der Erfindung ist vorgesehen, dass die turbulente Strömung über überhängende Vorkammerwände eines kegelstumpf- oder Kugelsegmentförmigen Hauptraumes zum Zündort geleitet wird. Somit wird eine sichere Zündung des Kraftstoff-/Luftgemisches erreicht und ein stabiler und reproduzierbarer Verbrennungsablauf gewährleistet.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der nicht einschränkenden Figuren näher

erläutert. Darin zeigen schematisch

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorkammerzündeinheit in einem Schnitt gemäß der

Linie I-I in Fig. 2, Fig. 4 oder Fig. 5 in einer ersten Ausführungsvariante,

Fig. 2 diese Vorkammerzündeinheit in einem Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 diese Vorkammerzündeinheit in einem Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1

in einer zweiten Ausführungsvariante,

Fig. 4 die Vorkammerzündeinheit aus Fig. 1 in einem Schnitt gemäß der Linie IV-IV in Fig. 1,

Fig. 5 diese Vorkammerzündeinheit in einem Schnitt gemäß der Linie V-V in Fig. 1,

Fig. 6 diese Vorkammerzündeinheit in einem Schnitt gemäß der Linie VI-VI in Fig. 1,

Fig. 7 diese Vorkammerzündeinheit in einem Schnitt gemäß der Linie IV-IV in

Fig. 1, in einer dritten Ausführungsvariante,

Fig. 8 diese Vorkammerzündeinheit in einem Schnitt gemäß der Linie IV-IV in

Fig. 1, in einer vierten Ausführungsvariante

Fig. 9 diese Vorkammerzündeinheit in einem Schnitt gemäß der Linie IV-IV in

Fig. 1, in einer fünften Ausführungsvariante,

Fig. 10 eine erfindungsgemäße Vorkammerzündeinheit in einem Längsschnitt in

einer sechsten Ausführungsvariante,

Fig. 11 die Vorkammerzündeinheit aus Fig. 11 in einer axonometrischen Darstellung,

Fig. 12 eine erfindungsgemäße Vorkammerzündeinheit in einem Längsschnitt in

einer siebenten Ausführungsvariante,

Fig. 13 die turbulente kinetische Energie in der Vorkammer und im Bereich der Zündeinrichtung in Abhängigkeit des Kurbelwinkels, und

Fig. 14 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen

Brennkraftmaschine.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorkammerzündeinheit 1 in einem Längsschnitt. Die Vorkammerzündeinheit ist in einem Zylinderkopf 2 einer als Großmotor ausgebildeten Brennkraftmaschine 100 (siehe Fig. 14, wo eine Brennkraftmaschine, die insbesondere als Einzylinder ausgeführt sein kann, mit einem Zylinderkopf 101 und einem Zylinderblock 102 dargestellt ist) eingebaut und mündet in den Brennraum 3 ein. Die Vorkammerzündeinheit 1 weist eine durch eine Vorkammerwand 4 gebildete segmentierte Vorkammer 5 mit einem dem Brennraum 3 abgewandten Hauptraum 6 und einem brennraumseitigen Überströmraum 7 auf. Im Bereich eines durch den Hauptraum 6 gebildeten

brennraumfernen ersten Vorkammerendes 8 mündet zentral - also etwa im Bereich

der Vorkammerlängsachse 5a - eine etwa durch eine Zündkerze gebildete

Zündeinrichtung 9 in den Hauptraum 6 ein.

Weiters mündet zumindest ein drallerzeugender Kraftstoffzuführkanal 10 in den Hauptraum 6 so ein, dass seine Kraftstoffkanallängsachse 10a windschief in Bezug auf die Vorkammerlängsachse 5a verläuft. Dadurch strömt der Kraftstoff exzentrisch - also mit einer ausgeprägten Tangentialkomponente - in den Hauptraum 6 ein und erzeugt eine Drallströmung um die Vorkammerlängsachse 5a. Ein auf einer ersten Minimaltransversale 11 gemessener erster Normalabstand a zwischen der Kraftstoffkanallängsachse 10a und der Vorkammerlängsachse 5a beträgt mindestens 20% des kleinsten Durchmessers D des Hauptraumes 6 im Bereich des ersten Vorkammerendes 8 - gemessen in einer Normalebene eg auf die

Vorkammerlängsachse 5a (Fig. 1, Fig. 2).

Die Kraftstoffkanallängsachse 10a des drallerzeugend ausgebildeten Kraftstoffzuführkanals 10 schließt mit einer Normalebene eg auf die Vorkammerlängsachse 5a einen ersten Winkel ß von maximal 60°, vorzugsweise von maximal 45°, insbesondere maximal 30° ein. Dadurch strömt der Kraftstoff nicht nur mit einer Tangentialströmungskomponente, sondern auch mit einer ausgeprägten Axialströmungskomponente in den Hauptraum 6 ein, wodurch eine schraubenförmige erste Drallströmung D1 um die Vorkammerlängsachse 5a in

Richtung des Überströmraumes 7 initiiert wird.

Im Bereich des durch den Überströmraum 7 gebildeten brennraumseitigen zweiten Vorkammerendes 12 sind in der Vorkammerwand mehrere drallerzeugend ausgebildete Überströmkanäle 13 angeordnet. Die Überströmkanäle 13 weisen jeweils eine Überströmkanallängsachse 13a auf, welche windschief in Bezug auf die Vorkammerlängsachse 5a angeordnet ist, wobei der auf einer zweiten Minimaltransversale 14 gemessene zweite Normalabstand b zwischen der Überströmkanallängsachse 13a und der Vorkammerlängsachse 5a mindestens 20% des kleinsten Durchmessers d des Überströmraumes 7 im Bereich des zweiten Vorkammerendes 12 - gemessen in einer Normalebene auf die

Vorkammerlängsachse -- beträgt.

Die drallerzeugend ausgebildeten Überströmkanal 13 schließen weiters mit einer Normalebene & auf die Vorkammerlängsachse 5a einen zweiten Winkel y von

maximal 60°, vorzugsweise von maximal zwischen 45°, besonders vorzugsweise

von maximal 30° ein. Zumindest zwei Überströmkanäle 13 können bezüglich der Vorkammerlängsachse 5a dreh- und/oder punktsymmetrisch angeordnet sein. Fig. 2 zeigt eine Ausführung mit vier und Fig. 3 eine Ausführung mit sechs

rotations- und punktsymmetrisch angeordneten Überströmkanäle 13.

Durch die drallerzeugenden Überströmkanäle 13 wird beim Überströmvorgang vom Brennraum 3 in die Vorkammer 5 eine schraubenförmige zweite Drallströmung S2 um die Vorkammerachse in Richtung des Hauptraumes initiiert. Die erste Drallströmung S1 und die zweite Drallströmung S2 weisen günstigerweise die gleiche Orientierung um die Vorkammerlängsachse 5a auf, sind also gleichgerichtet.

Die in Richtung der Vorkammerlängsachse 5a gemessene axiale Erstreckung L1 des Hauptraumes 6 und/oder die axiale Erstreckung L2 des Überströmraumes 7 beträgt etwa 50% +10% der axialen Gesamterstreckung L der Vorkammer 5. In einem mittleren Bereich der axialen Gesamterstreckung L der Vorkammer 5 ist zwischen dem Hauptraum 6 und dem Überströmraum 7 ein Übergangsbereich 15 ausgebildet

ist.

Zumindest ein Übergangsbereich 15 zwischen dem Überströmraum 7 und dem Hauptraum 6 und/oder der Überströmraum 7 selbst weist zumindest eine insbesondere minimale Querschnittsfläche F1 in der Vorkammer 5 mit einer von der Kreisform abweichenden Form auf. Diese von der Kreisform abweichende Querschnittsfläche F1 kann achsen-, dreh- und/oder punktsymmetrisch ausgebildet sein und beispielsweise eine tropfenartige Form aufweisen (Fig. 5).

Die Fig. 10 und 11 zeigen eine Ausführung der Erfindung mit einem Hauptraum 6, welcher kugelsegmentförmig ausgebildet ist. Fig. 12 zeigt eine weitere Ausführungsvariante, bei der der Hauptraum 6 angrenzend an das erste Vorkammerende 8 zum Teil die Form eines sich in Richtung des ersten

Vorkammerendes 8 verjüngenden Kegelstumpfes aufweist.

Wie in Fig. 10 bis 12 ersichtlich ist, weist der Hauptraum 6 - normal zur Vorkammerlängsachse 5a betrachtet - seine größte Querschnittsfläche Fmax in einem vom ersten Vorkammerende 8 entfernten ersten Bereich B1 auf, wobei ein zwischen dem ersten Vorkammerende 8 und dem ersten Bereich B1 in Richtung der Vorkammerlängsachse 5a gemessener erster Abstand c mindestens 20%,

vorzugsweise mindestens 30%, besonders vorzugsweise mindestens 50%, beträgt.

Die größte Querschnittsfläche Fmax weist beispielsweise einen kreisförmige Querschnittsfläche F2 auf (Fig. 1, 6).

Zwischen dem ersten Vorkammerende 8 einerseits und dem ersten Bereich B1 andererseits weist der Hauptraum 6 eine weitere Querschnittsfläche F3 mit einer von der Kreisform abweichenden dritten Querschnittsfläche F3 mit einer achsen-, dreh- und/oder punktsymmetrischen Form auf. Im in Fig. 7 dargestellten Beispiel weist diese weitere Querschnittsfläche F3 eine quadratische Form mit abgerundeten Ecken auf. Fig. 8 zeigt eine Ausführung mit einer annähernd tropfenförmigen weiteren Querschnittsfläche F3, die im Wesentlichen durch eine ausgebuchtete Kreisform gebildet ist. Fig. 9 zeigt eine Ausführung mit einer durch eine kreissektorartige Form gebildete weiteren Querschnittsfläche F3, welche eine Strömungsabrisskante 16 aufweist.

Die Fig. 10, 11 und 12 zeigen Ausführungsvarianten, bei denen die Vorkammerwand 4 des Hauptraumes 6 in einem zweiten Bereich B2 zwischen dem ersten Vorkammerende 8 und dem ersten Bereich B1 in Richtung Überströmraum 7 überhängend ausgebildet ist, wobei die Vorkammerwand 4 in dem direkt an das erste Vorkammerende 8 anschließenden zweiten Bereich B2 in Bezug zur Vorkammerlängsachse 5a oder einer Parallelen dazu unter einem dritten Winkel ö >

10°, vorzugsweise >20°, geneigt ausgebildet ist (Fig. 10, 12).

In Fig. 10 und 11 weist der Hauptraum 6 zumindest in dem direkt an das erste Vorkammerende 8 anschließenden zweiten Bereich B2 eine kugelsegmentartige

Form auf.

Fig. 12 zeigt eine Ausführungsvariante, bei der der Hauptraum 6 in dem direkt an das erste Vorkammerende 8 anschließenden zweiten Bereich B2 die Form eines sich in Richtung des ersten Vorkammerendes 8 verjüngenden Kegelstumpfes aufweist.

Durch die beschriebene Vorkammerzündeinheit 1 wird eine reproduzierbare Strömungsstruktur mit erhöhter turbulenter kinetischer Energie in der Vorkammer 5 geschaffen, um eine starke und stabile Verbrennung in der Vorkammer 5 mit

reduzierten zyklischen Schwankungen zu gewährleisten.

Dies erfolgt im Detail mit folgenden Einzelschritten:

In einem ersten Schritt wird in der Vorkammer 5 eine gezielte und reproduzierbare Strömungsstruktur erzeugt. Dies erfolgt durch folgende genau definierte konstruktive Merkmale:

e Zumindest einen tangential bezüglich des Hauptraumes 6 der Vorkammer 5 orientierten Kraftstoffzuführkanal 10, um eine Drallströmung im Hauptraum 6 der Vorkammer 5 zu induzieren;

e Von der Kreisform abweichende, beispielsweise asymmetrische oder tropfenförmige Form des Übergangsbereiches 15 zwischen Hauptraum 6 und Überströmraum 7 und/oder des Überströmraumes 7 selbst, um eine Walzenströmung in der Vorkammer 5 zu induzieren; und/oder

e tangential bezüglich des Überströmraumes 7 der Vorkammer 5 orientierte Überströmkanäle 13, um eine Drallströmung in der Vorkammer 5 zu

induzieren.

In einem zweiten Schritt wird die erzeugte Strömungsstruktur in der Vorkammer 5 zerstört, um die Strömungsgeschwindigkeit der Strömungsstruktur in Turbulenzen

umzuwandeln. Dies erfolgt durch

e asymmetrische Form der Querschnittsfläche F3 des Hauptraumes 6;

e Änderung der Querschnittsfläche F2, F3 im Hauptraum 6, beispielsweise Übergang von einer Kreisform zur Quadratform;

e Abrisskante 16, Stufe, Unebenheit oder dergleichen der beispielsweise kugelsegmentförmigen Vorkammerwand 4 es Hauptraumes 6.

In einem dritten Schritt wird die Strömung/Turbulenz durch die Form der beispielsweise überhängend gestalteten Vorkammerwand 4 des Hauptraumes 5 zum Zündort 9a der Zündeinrichtung 9 geleitet. Der Hauptraum 5 weist dazu beispielsweise im Bereich B3 des ersten Vorkammerendes 8 eine kleinere Querschnittsfläche F3 auf als in einem vom ersten Vorkammerende 8 beabstandeten Bereich B1. Die Vorkammer 5 weist dazu beispielsweise anschließend an das erste Vorkammerende 8 die Form eines sich in Richtung des ersten Vorkammerendes 8 verjüngenden Kegelstumpfes oder eine sich in Richtung des ersten Vorkammerendes 8 verjüngende kugelsegmentartige Form auf.

Fig. 13 zeigt die turbulente kinetische Energie TKE1 in der Vorkammer 5 und die turbulente kinetische Energie TKE2 im Bereich des Zündortes 9a der

Zündeinrichtung 9 in Abhängigkeit des Kurbelwinkels KW, wobei strichliert mit A die Ausgangssituation ohne reproduzierbarer Strömungsstruktur und voll ausgezogen mit B die erfindungsgemäße Situation mit reproduzierbarer Strömungsstruktur dargestellt ist. Deutlich ist das verbesserte Turbulenzniveau in der Vorkammer 5 zu

erkennen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Vorkammerzündeinheit (1), insbesondere für einen Großmotor, mit einer durch eine Vorkammerwand (4) gebildeten Vorkammer (5) mit einem ein erstes Vorkammerende (8) bildenden Hauptraum (6) und einem ein zweites Vorkammerende (12) bildenden Überströmraum (7), wobei die Vorkammer (5) eine größte axiale Gesamterstreckung (L) in Richtung einer Vorkammerlängsachse (5a) und entlang dieser Vorkammerlängsachse (5a) unterschiedlich große Querschnittsflächen (F1, F2, F3, Fmax) aufweist, wobei im Bereich des ersten Vorkammerendes (8) die Querschnittsfläche größer ist als im Bereich des dem ersten Vorkammerende (8) entgegengesetzten zweiten Vorkammerendes (12), und wobei im Bereich des ersten Vorkammerendes (8) eine Zündeinrichtung (9) und zumindest ein Kraftstoffzuführkanal (310) in den Hauptraum (6) der Vorkammer (5) einmündet und im Bereich des zweiten Vorkammerendes (12) zumindest ein Überströmkanal (13) in der Vorkammerwand (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kraftstoffzuführkanal (10) drallerzeugend ausgebildet ist.

Vorkammerzündeinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine drallerzeugend ausgebildete Kraftstoffzuführkanal (10) eine Kraftstoffkanallängsachse (10a) aufweist, welche windschief in Bezug auf die Vorkammerlängsachse (5a) verlaufend angeordnet ist, wobei vorzugsweise ein auf einer ersten Minimaltransversale (11) gemessener erster Normalabstand (a) zwischen der Kraftstoffkanallängsachse (10a) und der Vorkammerlängsachse (5a) mindestens 20% des kleinsten Durchmessers (D) des Hauptraumes (6) im Bereich des ersten Vorkammerendes (8) - gemessen in einer Normalebene (eg) auf die Vorkammerlängsachse (5a) -- beträgt.

Vorkammerzündeinheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine drallerzeugend ausgebildete Kraftstoffzuführkanal (10) mit einer Normalebene (eg) auf die Vorkammerlängsachse (5a) einen ersten Winkel (ß) von maximal 60°, vorzugsweise von maximale zwischen 45°, besonders vorzugsweise von

maximal 30° einschließt.

Vorkammerzündeinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch

gekennzeichnet, dass die in Richtung der Vorkammerlängsachse (5a)

gemessene axiale Erstreckung (L1; L2) des Hauptraumes (6) und/oder des Überströmraumes (7) etwa 50% 410% der axialen Gesamterstreckung (L) der Vorkammer (5) beträgt, wobei vorzugsweise in einem mittleren Bereich der axialen Gesamterstreckung (L) der Vorkammer (5) zwischen dem Hauptraum (5) und dem Überströmraum (7) ein Übergangsbereich (15) ausgebildet ist.

Vorkammerzündeinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Überströmraum (7) und/oder zumindest ein Übergangsbereich (15) zwischen dem Überströmraum (7) und dem Hauptraum (6) zumindest eine Querschnittsfläche (F1) mit einer von der Kreisform abweichenden Form aufweist, wobei vorzugsweise die Querschnittsfläche (F3) eine achsen- und/oder dreh- und/oder punktsymmetrische, besonders vorzugsweise eine tropfenartige Form

aufweist.

Vorkammerzündeinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Überströmkanal (13) drallerzeugend

ausgebildet ist.

Vorkammerzündeinheit (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Überströmkanal (13) eine Überströmkanallängsachse (13a) aufweist, welche windschief in Bezug auf die Vorkammerlängsachse (5a) angeordnet ist, wobei vorzugsweise ein auf einer zweiten Minimaltransversale (14) gemessener zweiter Normalabstand (b) zwischen der Überströmkanallängsachse (13a) und der Vorkammerlängsachse (5a) mindestens 20% des kleinsten Durchmessers (d) des Überströmraumes (7) im Bereich des zweiten Vorkammerendes (12) - gemessen in einer Normalebene

(g) auf die Vorkammerlängsachse (5a)-- beträgt.

Vorkammerzündeinheit (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine drallerzeugend ausgebildete Überströmkanal (13) mit einer Normalebene (£) auf die Vorkammerlängsachse (5a) einen zweiten Winkel (y) von maximal 60°, vorzugsweise von maximal

45°, besonders vorzugsweise von maximal 30° einschließt.

Vorkammerzündeinheit (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Überströmkanäle (13) bezüglich der

11.

12.

13.

16

Vorkammerlängsachse (5a) dreh- und/oder punktsymmetrisch angeordnet

sind.

Vorkammerzündeinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptraum (6) - normal zur Vorkammerachse (5a) betrachtet - seine größte Querschnittsfläche (Fmax) und/oder zumindest eine kreisförmigen Querschnittsfläche (F2) in einem vom ersten Vorkammerende (8) in einem ersten Abstand (c) axial entfernten ersten Bereich (B1) aufweist, wobei der in Richtung der Vorkammerachse (5a) gemessene erste Abstand (c) zwischen dem ersten Vorkammerende (8) und dem ersten Bereich (B1) mindestens 20%, vorzugsweise mindestens 30%, besonders vorzugsweise mindestens 50%, beträgt, wobei vorzugsweise die größte Querschnittsfläche (Fmax) eine kreisförmige Querschnittsfläche (F2)

aufweist.

Vorkammerzündeinheit (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptraum (5) zwischen dem ersten Vorkammerende (8) und dem ersten Bereich (B1) mit seine größten Querschnittsfläche (Fmax) und/oder der kreisförmigen Querschnittsfläche (F2) eine weitere Querschnittsfläche (F3) mit einer von einer Kreisform abweichenden Form aufweist, wobei vorzugsweise diese weitere Querschnittsfläche (F3) eine achsen-, dreh- und/oder punktsymmetrische, besonders vorzugsweise eine quadratische Form oder eine tropfenartige Form oder eine kreissektorartige Form aufweist, wobei vorzugsweise diese weitere Querschnittsfläche mindestens eine von der

Vorkammerwand (4) vorstehende Strömungsabrisskante (16) aufweist.

Vorkammerzündeinheit (1) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammerwand (4) des Hauptraumes (6) zwischen dem ersten Vorkammerende (8) und dem ersten Bereich (B1) überhängend ausgebildet ist, wobei die Vorkammerwand (4) in einem direkt an das erste Vorkammerende (8) anschließenden zweiten Bereich (B2) in Bezug zur Vorkammerlängsachse (5a) unter einem dritten Winkel (5) > 10°, vorzugsweise >20°, geneigt ausgebildet ist.

Vorkammerzündeinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptraum (6) zumindest in einem direkt an das

erste Vorkammerende (8) anschließenden zweiten Bereich (B2), die Form

15.

16.

17.

18.

19.

17

eines sich in Richtung des ersten Vorkammerendes (8) verjüngenden

Kegelstumpfes aufweist.

Vorkammerzündeinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptraum (6) zumindest in einem Bereich vorzugsweise in einem direkt an das erste Vorkammerende (8) anschließenden zweiten Bereich (B2) und/oder in einem an eine Basis des Kegelstumpfes anschließenden ersten Bereich (B1) - eine kugelsegmentartige Form aufweist.

Brennkraftmaschine (100) mit zumindest einer Vorkammerzündeinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14.

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (100) mit einer Vorkammerzündeinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Schritte durchgeführt werden:

a. Erzeugen einer reproduzierbaren Strömungsstruktur in der Vorkammer (5), welche vorzugsweise zumindest eine Drallkomponente um die Vorkammerlängsachse aufweist;

b. Zerstören der reproduzierbaren Strömungsstruktur und Umwandeln in eine turbulente Strömung;

C. Lenken der turbulenten Strömung in Richtung zumindest eines

Zündortes (9a) der Zündeinrichtung (9).

Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) das Erzeugen der reproduzierbaren Strömungsstruktur durch ein drallbehaftetes Einströmen des Kraftstoffes in die Vorkammer (5) mit einer Drallkomponente um die Vorkammerlängsachse (5a) erfolgt.

Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass Brennraumgas aus einem Brennraum (3) der Brennkraftmaschine mit einer Drallkomponente um die Vorkammerlängsachse (5a) in die Vorkammer (5) geleitet wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) die reproduzierbare Strömungsstruktur zerstört wird, indem die Strömung über zumindest eine Abrisskante (16), Stufe oder Unebenheit

der Vorkammerwand (4) und/oder zumindest eine abrupte Änderung der

Querschnittsfläche (F2, F3) des Hauptraumes (6) geleitet wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) die turbulente Strömung über zumindest eine überhängend ausgebildete Vorkammerwand (4) eines kegelstumpf- oder

kugelsegmentförmigen Hauptraumes (6) zum Zündort (9a) geleitet wird.

25.02.2021 FÜ