CH715113A1

CH715113A1 - Pre-chamber candle for an internal combustion engine and an internal combustion engine with a pre-chamber.

Info

Publication number: CH715113A1
Application number: CH00782/18A
Authority: CH
Inventors: Xu Guoqing; Hegde Raghavendra
Original assignee: Liebherr Machines Bulle Sa
Priority date: 2018-06-19
Filing date: 2018-06-19
Publication date: 2019-12-30

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorkammerkerze (1) für eine Brennkraftmaschine, umfassend: eine Vorkammer (2) zum Aufnehmen eines Kraftstoff-Luft-Gemisches, eine in der Vorkammer angeordnete Zündkerzenelektrode (3) zum Entzünden des Kraftstoff-Luft-Gemisches, und mindestens einen Überströmungskanal (4), der vom Inneren der Vorkammer nach aussen führt, um die Vorkammer mit einem Hauptbrennraum eines Zylinders der Brennkraftmaschine zu verbinden. Die Vorkammerkerze (1) zeichnet sich dadurch aus, dass der Überströmungskanal (4) auf einem Weg vom Inneren der Vorkammer nach aussen eine stufenartige Querschnittsaufweitung aufweist. Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Motor-Generator-Einheit mit Gas als Kraftstoff.The present invention relates to a prechamber plug (1) for an internal combustion engine, comprising: a prechamber (2) for receiving a fuel-air mixture, a spark plug electrode (3) arranged in the prechamber for igniting the fuel-air mixture, and at least one Overflow channel (4), which leads from the inside of the prechamber to the outside in order to connect the prechamber to a main combustion chamber of a cylinder of the internal combustion engine. The prechamber candle (1) is characterized in that the overflow channel (4) has a step-like cross-sectional widening on its way from the inside of the prechamber to the outside. The present invention also relates to a motor-generator unit with gas as fuel.

Description

Beschreibung [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorkammerkerze für eine Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine mit Vorkammer.Description: The present invention relates to a prechamber candle for an internal combustion engine and an internal combustion engine with a prechamber.

[0002] Bei einem Motor ist die Vorkammer ein von einem Hauptbrennraum im Wesentlichen abgetrennter Bereich, in dem die Entzündung des Kraftstoffs erfolgt. Über entsprechende Kanäle, die Schusskanäle oder auch Überströmungskanäle genannt werden, schiesst das in der Vorkammer entzündete Kraftstoff-Luft-Gemisch in die Hauptkammer, wo es dann zu einer Entzündung des darin befindlichen Kraftstoff-Luft-Gemisches führt. Durch eine günstige Auslegung des Vorkammerzündsystems ergibt sich im Kollektiv über mehrere Arbeitstakte in der Hauptbrennkammer ein deutlich besser reproduzierbares Fortschreiten der Entflammung des dortigen verdichteten Kraftstoff-Luft-Gemisches. Durch eine günstige Motorauslegung inklusive der des Vorkammerzündsystems und dem Einbringen der extern zugeführten primären Zündenergie an der optimalen Kurbelwellen-Winkellage verschiebt sich das über mehrere Arbeitstakte gebildete Kollektiv der Flammenausbreitung in Richtung Idealvorgang. Nach dem heutigen Stand der Technik weicht die Flammausbreitung bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen vergleichsweise stark von dem Idealvorgang ab, weswegen der Einsatz von Vorkammerzündsystemen bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen ein höheres Verbesserungspotenzial als bei selbstzündenden bietet. In Relation heutiger Wirkungsgradsteigerungen von Brennkraftmaschinen liegt ein hohes Verbesserungspotenzial bei im Magerbetrieb arbeitenden Brennkraftmaschinen vor. Typischerweise liegt eine solche Betriebsweise bei Gasmotoren zur Bereitstellung von elektrischer Leistung vor und im besonderen Masse bei Gasmotoren, die mit sogenannten Schwachgasen z.B. Biogas; Flözgas, Klärgas etc. oder mit Erdgas von niedriger Qualität usw. betrieben werden.In an engine, the prechamber is a region which is essentially separated from a main combustion chamber and in which the fuel is ignited. The fuel-air mixture ignited in the prechamber shoots into the main chamber via corresponding channels, which are called shot channels or also overflow channels, where it then leads to ignition of the fuel-air mixture located therein. Thanks to a favorable design of the prechamber ignition system, the ignition of the compressed fuel-air mixture there progresses significantly more reproducibly over several work cycles in the main combustion chamber. A favorable engine design, including that of the prechamber ignition system and the introduction of the externally supplied primary ignition energy at the optimal crankshaft angular position, shifts the collective of flame propagation formed over several work cycles towards the ideal process. According to the current state of the art, the flame spread in spark-ignited internal combustion engines differs comparatively strongly from the ideal process, which is why the use of prechamber ignition systems in spark-ignited internal combustion engines offers a greater potential for improvement than in the case of self-igniting engines. In relation to today's increases in the efficiency of internal combustion engines, there is a high potential for improvement in internal combustion engines operating in lean operation. Such an operating mode is typically used in gas engines to provide electrical power and in particular in gas engines that use so-called weak gases e.g. biogas; Seam gas, sewage gas etc. or with natural gas of low quality etc. are operated.

[0003] Fig. 1A zeigt für einen im extremen Magerbetrieb arbeitenden Gasmotor exemplarisch zwei real durch eine sogenannte Zylinder-Indizierung gemessene Druckverläufe im Inneren eines Zylinders über jeweils einen 4-Takt Motorarbeitszyklus. Bei beiden Arbeitszyklen liegt eine gleiche Zuführung des Kraftstoff-Luft-Gemisches vor. Wie sehr deutlich zu erkennen ist, bestehen erhebliche Druckunterschiede. Die obere Kurve zeigt diejenige, bei der sich der maximale Druck ausgebildet hat. Entsprechend zeigt die untere Kurve den Verlauf der geringsten Druckentfaltung eines Arbeitszyklus. Die Intensität der Druckentfaltung steht zum einen in einem unmittelbaren Zusammenhang mit der während des Expansionsvorganges auf den Kolben aufgebrachten Kraft und damit der von der der Brennkraftmaschine abgegebenen mechanischen Leistung und zum anderen mit der durch die Verbrennung freigesetzten Expansionsleistung. In Anbetracht des grossen Unterschieds zwischen den beiden extremen Druckverlaufskurven wird die durch eine zuverlässigere Verbrennung zumindest potenziell erzielbare Wirkungsgradsteigerung sehr deutlich.1A shows, by way of example, for a gas engine operating in extreme lean operation, two pressure profiles in the interior of a cylinder, measured by a so-called cylinder indexing, in each case over a 4-cycle engine working cycle. The same supply of the fuel-air mixture is present in both working cycles. As can be seen very clearly, there are considerable pressure differences. The upper curve shows the one at which the maximum pressure has developed. Accordingly, the lower curve shows the course of the lowest pressure development of a work cycle. The intensity of the pressure development is, on the one hand, directly related to the force applied to the piston during the expansion process and thus to the mechanical power delivered by the internal combustion engine, and on the other hand to the expansion power released by the combustion. In view of the large difference between the two extreme pressure curve, the increase in efficiency that can at least potentially be achieved by more reliable combustion is very clear.

[0004] Im Wesentlichen gibt es zwei verschiedene Arten zur Umsetzung einer Vorkammer. Die erste ist eine Anordnung der Vorkammer in einem separaten Bauteil, welches in den Zylinderkopf eines Motors eingebaut wird. Bei der zweiten ist die Vorkammer in der in einen Brennraum eines Zylinders ragenden Spitze einer Glüh-beziehungsweise Zündkerze enthalten. Nach der zweiten Möglichkeit ist die Vorkammer also Bestandteil einer in den Motor einschraub- beziehungsweise eindrehbaren Kerze, deren Spitze, die sogenannte Vorkammerkappe in den Hauptbrennraum eines Zylinders ragt.[0004] There are essentially two different ways of implementing an antechamber. The first is an arrangement of the prechamber in a separate component that is installed in the cylinder head of an engine. In the second, the prechamber is contained in the tip of a glow or spark plug which projects into a combustion chamber of a cylinder. According to the second possibility, the prechamber is therefore part of a candle that can be screwed or screwed into the engine, the tip of which, the so-called prechamber cap, projects into the main combustion chamber of a cylinder.

[0005] Von hoher Wichtigkeit für die Effektivität eines Entzündens des im Hauptbrennraum befindlichen Kraftstoff-LuftGemisches ist dabei die Ausgestaltung der Schusskanäle beziehungsweise der Überströmungskanäle, die die Vorkammer mit dem Hauptbrennraum eines Zylinders verbinden.Of great importance for the effectiveness of ignition of the fuel-air mixture located in the main combustion chamber is the configuration of the shot channels or the overflow channels that connect the prechamber to the main combustion chamber of a cylinder.

[0006] Aus der DE 10 2005 005 851 A1 ist dabei ein Überströmungskanal bekannt, der eine wechselnde Längskontur aufweist. So weist der darin beschriebene Überströmungskanal eine Querschnittsaufweitung hin zum Hauptbrennraum auf. Als vorteilhaft wird dies erachtet, weil ein Teil des in den Hauptbrennraum eingebrachten Kraftstoff-Luft-Gemisches während eines Kompressionstakts des Zylinders nahezu ungehindert durch die trichterartige Querschnittsaufweitung in die Vorkammer einströmen kann.[0006] DE 10 2005 005 851 A1 discloses an overflow channel which has an alternating longitudinal contour. The overflow channel described therein has a cross-sectional widening towards the main combustion chamber. This is considered advantageous because part of the fuel-air mixture introduced into the main combustion chamber can flow into the prechamber almost unhindered by the funnel-like cross-sectional widening during a compression stroke of the cylinder.

[0007] Eine weitere aus dem Stand der Technik bekannte Umsetzung von Überströmungskanälen findet sich in der DE 3 709 976.[0007] Another implementation of overflow channels known from the prior art can be found in DE 3 709 976.

[0008] Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung eine Vorkammer vorzusehen, die hinsichtlich ihrer Effektivität zum Entzünden des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Hauptbrennkammer verbessert ist.It is the object of the present invention to provide a prechamber which is improved in its effectiveness for igniting the fuel-air mixture in the main combustion chamber.

[0009] Dies gelingt mit einer Vorkammerkerze, die sämtliche Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, oder einer Brennkraftmaschine, die sämtliche Merkmale des Anspruchs 2 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorkammerkerze beziehungsweise der Brennkraftmaschine finden sich in den abhängigen Ansprüchen.This succeeds with a prechamber candle that has all the features of claim 1 or an internal combustion engine that has all the features of claim 2. Advantageous configurations of the prechamber candle or the internal combustion engine can be found in the dependent claims.

[0010] Nach der Erfindung umfasst die Vorkammerkerze für eine Brennkraftmaschine eine Vorkammer zum Aufnehmen eines Kraftstoff-Luft-Gemisches, eine in der Vorkammer angeordnete Zündkerzenelektrode zum Entzünden des KraftstoffLuft-Gemisches, und mindestens einen Überströmungskanal, der vom Inneren der Vorkammer nach aussen führt, um die Vorkammer mit einem Hauptbrennraum eines Zylinders der Brennkraftmaschine zu verbinden. Die Vorkammerkerze ist dadurch gekennzeichnet, dass der Überströmungskanal auf einem Weg vom Inneren der Vorkammer nach aussen eine stufenartige Querschnittsaufweitung aufweist.According to the invention, the prechamber candle for an internal combustion engine comprises a prechamber for receiving a fuel-air mixture, a spark plug electrode arranged in the prechamber for igniting the fuel-air mixture, and at least one overflow channel which leads from the inside of the prechamber to the outside, to connect the prechamber to a main combustion chamber of a cylinder of the internal combustion engine. The prechamber candle is characterized in that the overflow channel has a step-like cross-sectional widening on a path from the inside of the prechamber to the outside.

[0011] Es hat sich gezeigt, dass bei einerstufenartigen Querschnittsaufweitung des Überströmungskanals die Temperatur bei einem entflammten Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Vorkammer an dem zum Hauptbrennraum zugewandten Austrittsende höher ist als im Vergleich zu einem herkömmlichen Überströmungskanal, der keine erfindungsgemässe stufenarti ge Querschnittsaufweitung aufweist. Das Entzünden eines Kraftstoffs in der Vorkammer führt also demnach zu einem Austreten von entzündetem Kraftstoff in den Hauptbrennraum, sodass an dem Ausgang des Kanals eine höhere Temperatur erreicht wird. Dadurch ergibt sich eine erhöhte Zuverlässigkeit, dass das im Hauptbrennraum vorhandene Gemisch vollständig und darüber hinaus in einer besseren Übereinstimmung mit dem gewünschten Prozessablauf gezündet wird. Dadurch ergibt sich im Kollektiv über mehrere Arbeitstakte eine thermodynamisch günstigere Flammausbreitung, was direkt zu einem effizienteren Betrieb einer Brennkraftmaschine führt und/oder ein Betreiben der Brennkraftmaschine in einem anderen Arbeitspunkt ermöglicht, z.B. eine nochmals stärkere Verdünnung des Kraftstoffs mit Luft (d.h. eine weitere Abmagerung) bzw. einen Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem Flüssigkraftstoff oder einem Brenngas von geringerer Güte ermöglicht. Die vorliegende Erfindung führt zu dieser Steigerung, da das in der Vorkammer entzündete Gemisch mit einer im Vergleich zum Stand der Technik höheren Temperatur in den Hauptbrennraum einströmt.It has been shown that with a step-like cross-sectional expansion of the overflow channel, the temperature in the case of an inflamed fuel-air mixture in the prechamber at the outlet end facing the main combustion chamber is higher than in comparison with a conventional overflow channel which does not have a step-like cross-sectional expansion according to the invention , The ignition of a fuel in the prechamber therefore leads to the escape of ignited fuel into the main combustion chamber, so that a higher temperature is reached at the outlet of the duct. This results in an increased reliability that the mixture present in the main combustion chamber is ignited completely and, moreover, in better agreement with the desired process sequence. This results in a thermodynamically more favorable flame spread over several work cycles, which leads directly to more efficient operation of an internal combustion engine and / or enables the internal combustion engine to be operated at a different operating point, e.g. an even stronger dilution of the fuel with air (i.e. a further leaning) or an operation of the internal combustion engine with a liquid fuel or a combustion gas of lower quality enables. The present invention leads to this increase because the mixture ignited in the prechamber flows into the main combustion chamber at a higher temperature than in the prior art.

[0012] Die vorliegende Erfindung betrifft zudem eine Brennkraftmaschine, deren körperliche Merkmale im Wesentlichen derjenigen der Vorkammerkerze entsprechen. Ausnahme hierbei ist, dass die Vorkammer als separates Bauteil in der Brennkraftmaschine, insbesondere einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine, vorgesehen ist und kein Bestandteil einer Kerze ist, die sich in den Hauptbrennraum eindrehen lässt. So gibt es Brennkraftmaschinen, die in ihrem Zylinderkopf eine separat zur Zündkerze montierbare Vorkammer aufweisen.The present invention also relates to an internal combustion engine, the physical characteristics of which essentially correspond to those of the prechamber candle. The exception to this is that the prechamber is provided as a separate component in the internal combustion engine, in particular a cylinder head of the internal combustion engine, and is not part of a candle that can be screwed into the main combustion chamber. There are internal combustion engines that have a prechamber that can be mounted separately from the spark plug in their cylinder head.

[0013] Demnach umfasst die erfindungsgemässe Brennkraftmaschine eine Vorkammer zum Auf nehmen eines KraftstoffLuft-Gemisches, eine in der Vorkammer anordenbare Zündkerzenelektrode zum dortigen Entzünden des Kraftstoff-LuftGemisches, und mindestens einen Überströmungskanal, der vom Inneren der Vorkammer nach aussen in einen Hauptbrennraum eines Zylinders der Brennkraftmaschine führt. Die Brennkraftmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass der Überströmungskanal auf einem Weg vom Inneren der Vorkammer in den Hauptbrennraum eine stufenartige Querschnittsaufweitung aufweist.Accordingly, the internal combustion engine according to the invention comprises a prechamber for receiving a fuel-air mixture, a spark plug electrode which can be arranged in the prechamber for igniting the fuel-air mixture there, and at least one overflow channel which extends from the inside of the prechamber to the outside in a main combustion chamber of a cylinder Internal combustion engine leads. The internal combustion engine is characterized in that the overflow channel has a step-like cross-sectional widening on a path from the interior of the prechamber into the main combustion chamber.

[0014] Die Vorteile, die sich hieraus ergeben, sind analog zu denen, die sich aus der erfindungsgemässen Vorkammerkerze ableiten lassen.The advantages that result from this are analogous to those that can be derived from the prechamber candle according to the invention.

[0015] Nach einer Fortbildung der erfindungsgemässen Vorkammerkerze beziehungsweise der erfindungsgemässen Brennkraftmaschine ist die stufenartige Querschnittsaufweitung eine zur Längsrichtung des Überströmungskanals senkrechte Aufweitung des Querschnitts.After a further development of the prechamber candle according to the invention or the internal combustion engine according to the invention, the step-like cross-sectional widening is a widening of the cross-section perpendicular to the longitudinal direction of the overflow channel.

[0016] Damit wird klargestellt, dass der Querschnitt vom Inneren der Vorkammer hin nach aussen eine Sprungstelle aufweist, in der dieser von einem kleineren Querschnitt auf einen dazu grösseren Querschnitt schlagartig ansteigt.This makes it clear that the cross section from the inside of the antechamber outwards has a jump point in which it suddenly increases from a smaller cross section to a larger cross section.

[0017] Nach einer weiteren optionalen Fortbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Überströmungskanal einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt umfasst, der erste Abschnitt, der dem Inneren der Vorkammer näher liegt als der zweite Abschnitt, eine Zylinderform aufweist, der zweite Abschnitt eine Kegelstumpfform, eine konkav oder konvex gekrümmte Form aufweist, der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt aneinander angrenzen, der zweite Abschnitt sich nach aussen hin aufweitet, und der Querschnitt, der an den ersten Abschnitt angrenzenden Deckfläche der Kegelstumpfform grösser als der Querschnitt der Zylinderform ist, wobei vorzugsweise die Zylinderform und die Kegelstumpfform eine gemeinsame Symmetrieachse haben.According to a further optional development of the invention it is provided that the overflow channel comprises a first section and a second section, the first section, which is closer to the interior of the prechamber than the second section, has a cylindrical shape, the second section has a truncated cone shape , has a concave or convex curved shape, the first section and the second section adjoin one another, the second section widens outwards, and the cross section which is adjacent to the first section of the top surface of the truncated cone shape is larger than the cross section of the cylindrical shape, wherein preferably the cylindrical shape and the truncated cone shape have a common axis of symmetry.

[0018] Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist der Quotient der Abmasse der Gesamtlänge des Überströmungskanals und der Länge seines ersten Abschnitts (41) einen Zahlenwert auf, der zwischen 2 und 4 liegt, vorzugsweise zwischen 2.5 und 3.5 liegt und bevorzugterweise zwischen 2.8 und 3.2 liegt.According to a further advantageous embodiment of the invention, the quotient of the dimensions of the total length of the overflow channel and the length of its first section (41) has a numerical value which is between 2 and 4, preferably between 2.5 and 3.5 and preferably between 2.8 and 3.2 lies.

[0019] Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist die Zylinderform des ersten Abschnitts eine Lochtiefe auf, die in einem Bereich von 0.8 mm bis 1.8 mm liegt, vorzugsweise in einem Bereich von 0.9 mm bis 1.5 mm liegt und bevorzugterweise in einem Bereich von 1.1 mm bis 1.3 mm liegt.According to a further advantageous embodiment of the invention, the cylindrical shape of the first section has a hole depth which is in a range from 0.8 mm to 1.8 mm, preferably in a range from 0.9 mm to 1.5 mm and preferably in a range from 1.1 mm to 1.3 mm.

[0020] Die durch den Grundgedanken der Erfindung erreichte erhöhte Wanddicke der Vorkammer bewirkt eine Vergrösserung der Wärmekapazität des Vorkammergehäuses und führt zu einer besseren Temperaturableitung an den Zylinderkopf mittels Konduktion. Weiter werden dadurch die Maximaltemperaturen an den sich auf dem Vorkammergehäuse befindenden Hotspots reduziert, was zu einer Vermeidung von vorzeitigen Zündungen und damit zu einer Erhöhung der Klopfgrenze führt. Zudem ist vorteilhaft, dass zwischen den einzelnen Zündvorgängen die Temperaturvariation, also das Schwanken der Temperatur, reduziert wird, was die Materialbelastung des Vorkammergehäuses aufgrund temperaturabhängiger Materialausdehnung verringert.The increased wall thickness of the prechamber achieved by the basic idea of the invention causes an increase in the heat capacity of the prechamber housing and leads to better temperature dissipation to the cylinder head by means of conduction. This further reduces the maximum temperatures at the hotspots located on the prechamber housing, which prevents premature ignitions and thus increases the knock limit. It is also advantageous that the temperature variation, that is to say the fluctuation of the temperature, is reduced between the individual ignition processes, which reduces the material load on the prechamber housing due to the temperature-dependent material expansion.

[0021] Nach einerweiteren vorteilhaften Modifikation der vorliegenden Erfindung ist der mindestens eine Überströmungskanal radial zu einer Symmetrieachse der Vorkammer angeordnet oder greift tangential an einen Kreis mit Mittelpunkt in der Symmetrieachse oder Längsachse der Vorkammer an.According to a further advantageous modification of the present invention, the at least one overflow channel is arranged radially to an axis of symmetry of the prechamber or tangentially engages a circle with a center in the axis of symmetry or longitudinal axis of the prechamber.

[0022] Weiter kann vorgesehen sein, dass ein Abschnitt des Überströmungskanals eine Venturi-Kontur aufweist.[0022] It can further be provided that a section of the overflow channel has a Venturi contour.

[0023] Zudem ist möglich, dass der Überströmungskanal schrägradial angeordnet ist, also zu einer Längsachse, vorzugsweise einer Symmetrieachse der Vorkammer geneigt ausgerichtet ist.[0023] It is also possible that the overflow channel is arranged obliquely, that is to say it is inclined to a longitudinal axis, preferably an axis of symmetry of the prechamber.

[0024] Alternativ ist möglich, dass ein Überströmungskanal tangential angeordnet ist, d.h. tangential an einen Kreis mit Mittelpunkt in der Symmetrieachse der Vorkammer (2) angreift.Alternatively, it is possible that an overflow channel is arranged tangentially, i.e. tangentially to a circle with a center in the axis of symmetry of the prechamber (2).

[0025] Alternativ ist möglich, dass der Überströmungskanal schrägtangential angeordnet ist, also die Symmetrielinie des Überströmungskanals zu einer Tangente an einen Kreis mit Mittelpunkt in der Symmetrieachse der Vorkammer eine tangential zu dem genannten Kreis orientierte Ebene aufspannt.Alternatively, it is possible that the overflow channel is arranged obliquely tangentially, that is, the line of symmetry of the overflow channel spans a plane oriented tangentially to the said circle to a tangent to a circle with a center in the axis of symmetry of the prechamber.

[0026] Weiter kann nach einer Fortbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass Kanten, die im Übergangsbereich der Vorkammer in den Überströmungskanal vorhanden sind durch Anschrägen oder durch Abrunden geglättet sind. Durch Anschrägen oder Abrunden wird eine bessere Glättung der aus der Vorkammer austretenden Strömung erreicht, sodass der Anteil turbulenter Strömungen innerhalb des Überströmungskanals reduziert wird. Eine Abschwächung der Turbulenzen reduziert dabei das ungewollte Mischen der heisseren und kälteren Schichten des aus der Vorkammer entflammten Brenngases, sodass als Folge hiervon ein höherer Temperatureintrag in die Hauptbrennkammer erreicht werden kann.Furthermore, it can be provided according to a further development of the invention that edges which are present in the transition region of the antechamber into the overflow channel are smoothed by chamfering or by rounding off. By chamfering or rounding off, a better smoothing of the flow emerging from the prechamber is achieved, so that the proportion of turbulent flows within the overflow channel is reduced. A weakening of the turbulence reduces the undesired mixing of the hotter and colder layers of the fuel gas ignited from the prechamber, so that as a result a higher temperature input into the main combustion chamber can be achieved.

[0027] Die Erfindung betrifft ferner eine Motor-Generator-Einheit zur Erzeugung von elektrischer Energie mit einer Vorkammerkerze oder einer Brennkraftmaschine, die entsprechend einer der vorstehend aufgeführten Varianten ausgebildet ist, insbesondere eine Brennkraftmaschine, die Gas als Kraftstoff verwendet oder eine Vorkammerkerze, die für eine Verwendung mit Gas als Kraftstoff ausgebildet ist und im besonderen Masse für solche Brennkraftmaschinen, die mit schwer entzündbaren Gasen aufgrund einer hohen Verdünnung mit Luft oderaufgrund niedriger Gasqualitäten betrieben werden.The invention further relates to a motor-generator unit for generating electrical energy with a prechamber candle or an internal combustion engine, which is designed in accordance with one of the variants listed above, in particular an internal combustion engine that uses gas as fuel or a prechamber candle for a use with gas as a fuel is formed and in particular for those internal combustion engines which are operated with flammable gases due to a high dilution with air or due to low gas qualities.

[0028] Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigt:[0028] Further advantages, details and features of the invention will become apparent from the following description of the figures. It shows:

Fig. 1 : eine Schnittansicht einer Vorkammerkerze,1: a sectional view of a prechamber candle,

Fig. 1A: ein Diagramm zum Darstellen des Druckverlaufbereichs in einem Brennraum,1A: a diagram for illustrating the pressure curve area in a combustion chamber,

Fig. 2: eine Schnittansicht eines erfindungsgemässen Übertragungskanals,2 shows a sectional view of a transmission channel according to the invention,

Fig. 3: eine vergleichende Gegenüberstellung eines Temperatureintrags des erfindungsgemässen Überströmungskanals gegenüber einem herkömmlichen Überströmungskanal,3: a comparative comparison of a temperature input of the overflow channel according to the invention with a conventional overflow channel,

Fig. 4: eine Gegenüberstellung der radialen Temperaturverteilung der unterschiedlichen Überströmungskanäle aus Fig. 3,4: a comparison of the radial temperature distribution of the different overflow channels from FIG. 3,

Fig. 5: eine schematische Darstellung eines Überströmungskanals mit erhöhter Wanddicke,5: a schematic representation of an overflow channel with increased wall thickness,

Fig. 6: den seitlichen Verlauf der Temperatur im Bereich des Überströmungskanals bei einer periodisch stationär betriebenen Brennkraftmaschine,6: the lateral profile of the temperature in the area of the overflow channel in a periodically stationary internal combustion engine,

Fig. 7: unterschiedliche Darstellungen von Konturen von Überströmungskanälen,7: different representations of contours of overflow channels,

Fig. 8: ein vergleichendes Schaubild zur Darstellung der Temperaturverteilung bei einem herkömmlichen Überströmungskanal gegenüber einem Überströmungskanal mit abgerundeten Kanten im Eintrittsbereich, und8: a comparative diagram to show the temperature distribution in a conventional overflow channel compared to an overflow channel with rounded edges in the inlet area, and

Fig. 9: das radiale Temperaturprofil der beiden in Fig. 8 dargestellten Überströmungskanäle.FIG. 9: the radial temperature profile of the two overflow channels shown in FIG. 8.

[0029] Fig. 1 zeigt eine partielle Schnittansicht einer Vorkammerkerze 1, die mit ihrer Spitze in einen Hauptbrennraum 5 hineinragt. Oberhalb des Hauptbrennraums 5 schliesst sich unmittelbar der Zylinderkopf 7 eines Zylinders an, woraus sich ergibt, dass der Hauptbrennraum 5 derjenige Raum eines Zylinders ist, der mithilfe eines bewegbaren Kolbens in seinem Volumen verringerbar ist. Die Vorkammer 2 der Vorkammerkerze 1 weist dabei eine Zündkerzenelektrode 3 auf, die vorzugsweise eine Elektrode 31 und einen damit in Verbindung stehenden Zündkerzenisolator 32 aufweist. Weiter ist die Vorkammer 2 über Überströmungskanäle 4 mit dem Hauptbrennraum 5 verbunden.1 shows a partial sectional view of a prechamber candle 1 which protrudes with its tip into a main combustion chamber 5. The cylinder head 7 of a cylinder directly adjoins above the main combustion chamber 5, from which it follows that the main combustion chamber 5 is the space of a cylinder whose volume can be reduced by means of a movable piston. The prechamber 2 of the prechamber plug 1 has a spark plug electrode 3, which preferably has an electrode 31 and a spark plug insulator 32 connected to it. The antechamber 2 is also connected to the main combustion chamber 5 via overflow channels 4.

[0030] Vorliegend ist eine passiv gespülte Vorkammer 2 dargestellt, bei der das in der Vorkammer 2 zu entzündende Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Hauptbrennraum 5 zugeführt wird und durch eine Kompression im Hauptbrennraum 5 überden Überströmungskanal 4 in das Innere der Vorkammer 2 gelangt. Nachdem Abschluss dieses Vorgangs, d.h. unmittelbar vor dem Einbringen der primären Zündenergie beläuft sich der aus dem vorausgegangenen Arbeitstakt verbliebene AbgasRestanteil auf weitaus weniger als 10%. Von der Erfindung ist ebenfalls der Fall umfasst, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch direkt in die Vorkammer 2 zugeführt wird und nicht erst aufgrund des Kompressionstakts über die Überströmungskanäle 4 in das Innere eingebracht werden muss.A passively rinsed prechamber 2 is shown here, in which the fuel-air mixture to be ignited in the prechamber 2 is fed into the main combustion chamber 5 and reaches the interior of the prechamber 2 via a compression in the main combustion chamber 5 via the overflow channel 4. After completing this process, i.e. immediately before the primary ignition energy is introduced, the residual exhaust gas remaining from the previous work cycle amounts to far less than 10%. The invention also includes the case that the fuel-air mixture is fed directly into the pre-chamber 2 and does not have to be introduced into the interior via the overflow channels 4 because of the compression stroke.

[0031] Zu einem vorbestimmten Zeitpunkt findet dann die Entflammung des in der Vorkammer 2 befindlichen Gemisches statt, was zu einer starken Expansion des brennbaren Gemisches führt, sodass das brennbare Gemisch über die Überströmungskanäle 4 in den Hauptbrennraum 5 eingeschossen wird. Je heisser nun das brennbare Gemisch aus der Vorkammer 2 in den Hauptbrennraum 5 eintritt, desto reproduzierbarer findet dort die Hauptverbrennung im Zylinder statt und kann diese somit stärker an den ideal ablaufenden Prozess angenähert werden. Das Kollektiv über mehrere Arbeitstakte verschiebt sich in Richtung zu diesem Ideal, wenn das aus der Vorkammer 2 austretende brennende Gemisch eine höhere Temperatur aufweist.Then, at a predetermined time, the ignition of the mixture located in the prechamber 2 takes place, which leads to a strong expansion of the combustible mixture, so that the combustible mixture is injected into the main combustion chamber 5 via the overflow channels 4. The hotter the combustible mixture from the antechamber 2 enters the main combustion chamber 5, the more reproducibly the main combustion takes place in the cylinder and can therefore be more closely approximated to the ideal process. The collective over several work cycles shifts towards this ideal if the burning mixture emerging from the prechamber 2 has a higher temperature.

[0032] Fig. 2 zeigt eine dahingehend optimierte Umsetzung eines Überströmungskanals 4, im Querschnitt. Dieser weist an seiner der Vorkammer 2 nähergelegenen Seite einen ersten Abschnitt 41 auf, der einer im Wesentlichen zylinderförmigen Ausnehmung entspricht. Unmittelbar hieran grenzt ein zweiter Abschnitt 42 an, dessen Ausnehmung der Form eines Kegelstumpfes entspricht. Der Kegelstumpf ist dabei so angeordnet, dass er sich hin zum Hauptbrennraum 5 aufweitet. Ferner ist die Deckfläche des Kegelstumpfes in ihrem Durchmesser grösser als der Durchmesser der zylinderförmigen Ausnehmung des ersten Abschnitts 41. So kommt es zu einer stufenartigen Querschnittsaufweitung 6, die hinsichtlich der Temperatur eines in der Vorkammer entzündeten Gemisches beim Ausbreiten in die Hauptbrennkammer 5 vorteilhaft ist. [0033] Fig. 3 zeigt ein Schaubild einer Temperaturverteilung in der Gegenüberstellung eines herkömmlichen Überströmungskanals (linke Seite) gegenüber einem erfindungsgemässen Überströmungskanal (rechte Seite). Bei einer Entflammung des Gemischs in der Vorkammer 2 tritt das entflammte Gas durch den Überströmungskanal 4 in Richtung der Hauptbrennkammer 5. Dabei erkennt man, dass auf der rechten Seite, die die Erfindung wiedergibt, das entflammte Gas mit einer heisseren Temperatur in die Hauptbrennkammer 5 eintritt als nach dem Stand der Technik, der auf der linken Seite dargestellt ist. So ist der Temperaturbereich von 2045K breiter und erstreckt sich auch in Vertikalrichtung länger in die Kammer 5 hinein.2 shows a cross-section of an implementation of an overflow channel 4 that has been optimized for this purpose. On its side closer to the antechamber 2, this has a first section 41, which corresponds to an essentially cylindrical recess. Immediately adjacent to this is a second section 42, the recess of which corresponds to the shape of a truncated cone. The truncated cone is arranged so that it widens towards the main combustion chamber 5. Furthermore, the diameter of the top surface of the truncated cone is larger than the diameter of the cylindrical recess of the first section 41. This leads to a step-like cross-sectional widening 6, which is advantageous with regard to the temperature of a mixture ignited in the prechamber when it spreads into the main combustion chamber 5. Fig. 3 shows a graph of a temperature distribution in the comparison of a conventional overflow channel (left side) against an inventive overflow channel (right side). When the mixture in the pre-chamber 2 is ignited, the ignited gas passes through the overflow channel 4 in the direction of the main combustion chamber 5. It can be seen that on the right-hand side, which represents the invention, the ignited gas enters the main combustion chamber 5 at a hotter temperature than in the prior art shown on the left. The temperature range of 2045K is wider and extends longer into chamber 5 in the vertical direction.

[0034] Fig. 4 zeigt dabei die radiale Temperaturverteilung, die in Fig. 3 mit der Linie A-A gekennzeichnet ist und sich bei beiden Umsetzungen auf exakt derselben Position befindet. Dabei ist in der Fig. 4 nach oben hin die Temperatur in Kelvin aufgezeichnet, und nach rechts der radiale Abstand ausgehend von der Mitte des erfassten Bereichs der Fig. 3. Dabei erkennt man, dass die Temperatur für beide Umsetzungen in der Mitte am höchsten ist und mit zunehmendem Abstand zur Mitte stark abfällt.Fig. 4 shows the radial temperature distribution, which is marked in Fig. 3 with the line A-A and is in exactly the same position in both implementations. The temperature in Kelvin is plotted upwards in FIG. 4 and the radial distance to the right, starting from the center of the area covered in FIG. 3. It can be seen that the temperature for both reactions is highest in the center and drops sharply with increasing distance from the center.

[0035] Die strichpunktierte Linie 8 gibt dabei den Temperaturverlauf für einen herkömmlichen Überströmungskanal 4 an, wohingegen die nur aus einzelnen Strichen bestehende Linie 9 den Temperaturverlauf des erfindungsgemässen Überströmungskanals 4 darstellt. Man erkennt, dass die Temperatur der erfindungsgemässen Variante nahe der Mitte oberhalb der maximalen Temperatur einer herkömmlichen Überströmungskanal-Ausbildung liegt. Diese höhere Temperatur ermöglicht dabei ein wirksameres Zünden des Gemisches in dem Hauptbrennraum 5, sodass eine insgesamt besser reproduzierbare Entflammung des Gemisches stattfindet und letztlich eine günstigere Flammausbreitung ermöglicht, was wiederum die Erzielung eines höheren Druckniveaus im Zylinder ermöglicht.The dash-dotted line 8 indicates the temperature profile for a conventional overflow channel 4, whereas the line 9 consisting of only single lines represents the temperature profile of the overflow channel 4 according to the invention. It can be seen that the temperature of the variant according to the invention is close to the center above the maximum temperature of a conventional overflow channel design. This higher temperature enables the mixture in the main combustion chamber 5 to be ignited more effectively, so that an overall more reproducible ignition of the mixture takes place and ultimately enables a more favorable flame propagation, which in turn enables a higher pressure level to be achieved in the cylinder.

[0036] Fig. 5 zeigt eine vergrösserte Darstellung der Fig. 2, wobei hier das Augenmerk darauf gelegt werden soll, dass die Lochtiefe der zylinderförmigen Ausnehmung des ersten Abschnitts 41 in einem Bereich von 0.8 mm bis 1.8 mm liegt, vorzugsweise in einem Bereich von 0.9 mm bis 1.5 mm liegt und bevorzugterweise in einem Bereich von 1.1 mm bis 1.3 mm liegt.Fig. 5 shows an enlarged view of Fig. 2, here attention should be paid to the fact that the hole depth of the cylindrical recess of the first section 41 is in a range of 0.8 mm to 1.8 mm, preferably in a range of 0.9 mm to 1.5 mm and is preferably in a range from 1.1 mm to 1.3 mm.

[0037] Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass die Vorkammer-Wandtemperatur geringeren Schwankungen unterliegt. Für den einfach erfassbaren Fall eines periodischen Stationärbetriebs zeigt die durchgehende Linie 10 in Fig. 6 den Temperaturverlauf einer herkömmlichen dünnen Wanddicke, wohingegen die mit Kreuzen versehene durchgehende Linie 11 der vorteilhaften Ausbildung einer vergrösserten Wanddicke entspricht. Man erkennt dabei, dass während der Verbrennung die Temperatur einen Maximalwert erreicht und nach deren Abklingen die Temperatur auf einen Minimalwert abfällt und sich dieses zyklisch wiederholt. Bei einer herkömmlichen Wanddicke schwankt dabei die Temperatur im Bereich des Überströmungskanals sehr viel stärker als bei der erfindungsgemässen Fortbildung, die eine dickere Wanddicke vorschlägt. Die erhöhte Wanddicke bewirkt dabei eine Vergrösserung der Wärmekapazität des Vorkammergehäuses und eine bessere Temperaturableitung an den Zylinderkopf mittels Konduktion. Damit geht auch eine Reduktion der Maximaltemperaturen an den sich auf den Vorkammergehäuse befindenden Hotspots einher, was die Gefahr vorzeitiger Fehlzündungen verringert und die Klopfgrenze anhebt. Weiter vorteilhaft an der geringeren Temperaturschwankung zwischen den verschiedenen Zündvorgängen ist, dass die Materialbelastung des Vorkammergehäuses weniger temperaturabhängigen Materialbelastungen ausgesetzt ist.This has the advantage that the prechamber wall temperature is subject to smaller fluctuations. For the easily detectable case of periodic stationary operation, the continuous line 10 in FIG. 6 shows the temperature profile of a conventional thin wall thickness, whereas the continuous line 11 provided with crosses corresponds to the advantageous embodiment of an enlarged wall thickness. It can be seen that during the combustion the temperature reaches a maximum value and after its decay the temperature drops to a minimum value and this is repeated cyclically. In the case of a conventional wall thickness, the temperature in the region of the overflow channel fluctuates much more strongly than in the further development according to the invention, which suggests a thicker wall thickness. The increased wall thickness results in an increase in the heat capacity of the prechamber housing and better temperature dissipation to the cylinder head by means of conduction. This is accompanied by a reduction in the maximum temperatures at the hotspots located on the prechamber housing, which reduces the risk of premature misfiring and increases the knock limit. Another advantage of the lower temperature fluctuation between the different ignition processes is that the material load on the prechamber housing is exposed to less temperature-dependent material loads.

[0038] Fig. 7 zeigt einen Eintrittsbereich aus der Vorkammer 2 in den ersten Abschnitt 41 des Überströmungskanals 4. Die oberste der drei Varianten ist dabei ein normaler kantiger Übergang, wohingegen die beiden anderen Darstellungen die Kanten durch ein Anschrägen beziehungsweise durch ein Abrunden im Eintrittsbereich glätten.Fig. 7 shows an entry area from the pre-chamber 2 in the first section 41 of the overflow channel 4. The top of the three variants is a normal angular transition, whereas the other two representations the edges by chamfering or by rounding in the entry area smooth.

[0039] Die geglättete Kontur ist dabei vorteilhaft für die aus der Vorkammer austretende Strömung, das heisst dem bereits in der Vorkammer entflammten Brenngas. Das Glätten beziehungsweise Anschrägen reduziert den Anteil turbulenter Strömungen innerhalb des Überströmungskanals und schwächt Turbulenzen ab, sodass das ungewollte Mischen von heisseren und kälteren Schichten des aus der Vorkammer entflammten Brenngases reduziert wird, was wiederum einen höheren Temperatureintrag in die Hauptbrennkammer 5 nach sich zieht, wie dies in der nachfolgenden Fig. 8 dargestellt ist.The smoothed contour is advantageous for the flow emerging from the prechamber, that is, the fuel gas already ignited in the prechamber. The smoothing or beveling reduces the proportion of turbulent flows within the overflow channel and weakens turbulence, so that the unwanted mixing of hotter and colder layers of the fuel gas ignited from the prechamber is reduced, which in turn entails a higher temperature input into the main combustion chamber 5, as is the case with this is shown in the following Fig. 8.

[0040] Fig. 8 zeigt die Temperaturverteilung in einer gegenüberstellenden Darstellung, wobei auf der linken Seite eine herkömmliche Ausgestaltung eines Überströmungskanals dargestellt ist und auf der rechten Seite der Eintrittsbereich des Überströmungskanals mit abgerundeten Ecken ausgeführt ist. Auch hier erkennt man, dass die Kammer 5 mit einem Gemisch beaufschlagt wird, das in seiner Temperatur höher ist als diejenige aus dem Stand der Technik.Fig. 8 shows the temperature distribution in an opposite view, a conventional embodiment of an overflow channel is shown on the left side and the entry area of the overflow channel is designed with rounded corners on the right side. Here too, it can be seen that the chamber 5 is acted upon by a mixture which is higher in temperature than that of the prior art.

[0041] Erneut wird dabei entlang der Linie B-B die radiale Temperaturverteilung in Fig. 9 dargestellt.The radial temperature distribution is again shown in FIG. 9 along the line B-B.

[0042] Fig. 9 kann man entnehmen, dass die strichpunktierte Linie 12 in der Mitte des Übertragungskanals, die der kantigen Ausführung entspricht, eine geringere Temperatur aufweist als die nur mit Strichen dargestellte Linie 13, die den abgerundeten Eintrittsbereich der in Fig. 8 auf der rechten Seite dargestellten Umsetzung entspricht. Weiter erkennt man, dass auch die durch den Überströmungskanal tretende Strömung aufgrund der abgerundeten Kanten in ihrer Breite ein höheres Temperaturniveau aufweist.Fig. 9 can be seen that the dash-dotted line 12 in the middle of the transmission channel, which corresponds to the angular version, has a lower temperature than the line 13 shown only with dashes, which shows the rounded entry area of the in Fig. 8 corresponds to the implementation shown on the right. It can also be seen that the flow through the overflow channel also has a higher temperature level due to the rounded edges.

Claims

claims

1. prechamber candle (1) for an internal combustion engine, comprising:

a prechamber (2) for receiving a fuel-air mixture, a spark plug electrode (3) arranged in the prechamber (2) for igniting the fuel-air mixture, and at least one overflow channel (4) which is located inside the prechamber (2) leads to the outside in order to connect the prechamber (2) to a main combustion chamber (5) of a cylinder of the internal combustion engine, characterized in that the overflow channel (4) on the way from the inside of the prechamber (2) to the outside has a step-like cross-sectional widening (6) having.

2. Internal combustion engine, comprising:

a prechamber (2) for receiving a fuel-air mixture, a spark plug electrode (3) arranged in the prechamber (2) for igniting the fuel-air mixture, and at least one overflow channel (4), which from the interior of the prechamber (2) leads outwards into a main combustion chamber (5) of a cylinder of the internal combustion engine, characterized in that the overflow channel (4) has a step-like cross-sectional widening (6) on its way from the interior of the prechamber (2) into the main combustion chamber (5).

3. prechamber candle (1) according to claim 1 or internal combustion engine according to claim 2, wherein the step-like cross-sectional widening (6) is a perpendicular to the longitudinal direction of the overflow channel (4) widening of the cross section.

4. prechamber candle (1) according to any one of the preceding claims or internal combustion engine according to one of the preceding claims, wherein the overflow channel (4) comprises a first section (41) and a second section (42), the first section (41), the interior the antechamber (2) is closer than the second section (42), has a cylindrical shape, the second section (42) has a truncated cone shape, the first section (41) and the second section (42) adjoin one another, the second section (42 ) widens outwards, and the cross section of the top surface of the truncated cone shape adjacent to the first section (41) is larger than the cross section of the cylindrical shape, and preferably the cylindrical shape and the truncated cone shape have a common axis of symmetry.

5. prechamber candle (1) or internal combustion engine according to claim 4, wherein the quotient of the total length of the overflow channel (4) to the length of its first section (41) is between 2 and 4, preferably between 2.5 and 3.5 and preferably between 2.8 and 3.2.

6. prechamber candle (1) or internal combustion engine according to claim 4 or claim 5, wherein the cylindrical shape of the first section (41) has a length which is in a range from 0.8 mm to 1.8 mm, preferably in a range from 0.9 mm to 1.5 mm and is preferably in a range from 1.1 mm to 1.3 mm.

7. prechamber candle (1) or internal combustion engine according to one of the preceding claims, wherein the at least one overflow channel (4) is arranged radially to an axis of symmetry of the prechamber (2) or tangentially engages a circle with a center in the axis of symmetry of the prechamber (2).

8. prechamber candle (1) or internal combustion engine according to one of the preceding claims, wherein a portion of the overflow channel (4) has a Venturi contour.

9. prechamber candle (1) or internal combustion engine according to any one of the preceding claims, wherein the overflow channel (4) is arranged obliquely, that is to say inclined to a longitudinal axis, preferably an axis of symmetry (Y) of the prechamber (2).

10. prechamber candle (1) or internal combustion engine according to one of the preceding claims, wherein the overflow channel (4) is arranged obliquely tangentially, ie the line of symmetry of the overflow channel (4) to a tangent to a circle with a center in the axis of symmetry of the prechamber (2) a tangential plane oriented to the circle mentioned.

11. prechamber candle (1) or internal combustion engine according to one of the preceding claims, wherein in the transition region of the prechamber (2) in the overflow channel (4) existing edges are smoothed by chamfering or by rounding.

12. Motor-generator unit for generating electrical energy with a prechamber candle (1) or an internal combustion engine according to one of the preceding claims, in particular with gas as fuel.