DE102012022872A1

DE102012022872A1 - Ignition device for combustion engine i.e. gas engine, has cylindrical central bore fluidly connected between ignition chamber and combustion chamber, where diameter of central bore is greater than diameter of another cylindrical bore

Info

Publication number: DE102012022872A1
Application number: DE201210022872
Authority: DE
Inventors: Christian Kunkel
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2012-11-22
Filing date: 2012-11-22
Publication date: 2014-05-22

Abstract

The device (1) has a cylinder divided by a chamber wall (3) with respect to a combustion chamber. An ignition arrangement (7) ignites fuel/air mixture in an ignition chamber (5). A symmetry axis of a cylindrical central bore (15) coincides with a central axis (A). Another cylindrical central bore (17, 17') is arranged laterally to the former bore. The latter bore is fluidly connected between the ignition chamber and the combustion chamber, where diameter of the former central bore is smaller than diameter of the latter cylindrical bore.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündeinrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 und einen Verbrennungsmotor gemäß Oberbegriff des Anspruchs 8. The invention relates to an ignition device for an internal combustion engine according to the preamble of claim 1 and an internal combustion engine according to the preamble of claim 8.

Zündeinrichtungen der hier angesprochenen Art sind bekannt. Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 101 44 976 A1 geht eine als Vorkammerzündkerze ausgebildete Zündeinrichtung hervor, die eine Kammerwandung aufweist, welche in montiertem Zustand der Vorkammerzündkerze an einem Zylinder eines Verbrennungsmotors einen Brennraum des Zylinders gegenüber einer Zündkammer abteilt. Die Zündkammer ist rotationssymmetrisch um eine Mittelachse ausgebildet. In der Zündkammer ist eine Zündanordnung vorgesehen, welche eine Mittelelektrode, die sich entlang der Mittelachse erstreckt, und eine Massenelektrode aufweist, wodurch ein in der Zündkammer vorliegendes Brennstoff/Luft-Gemisch durch einen zwischen der Mittelelektrode und der Massenelektrode erzeugten Funkenüberschlag entflammbar ist. Die Kammerwandung weist eine – entlang der Mittelachse gesehen – der Mittelelektrode gegenüberliegend angeordnete Mittelbohrung auf, die kreiszylindrisch angeordnet ist, wobei ihre Symmetrieachse mit der Mittelachse zusammenfällt. Seitlich von der Mittelbohrung sind weitere, kreiszylindrische Bohrungen in der Kammerwandung vorgesehen. Die Mittelbohrung und die seitlichen Bohrungen stellen eine Fluidverbindung zwischen der Zündkammer und dem Brennraum bereit. Ignition devices of the type discussed here are known. From the German patent application DE 101 44 976 A1 is an ignition device designed as Vorkammerzündkerze, which has a chamber wall, which divides a combustion chamber of the cylinder with respect to an ignition chamber in the assembled state of the prechamber spark plug on a cylinder of an internal combustion engine. The ignition chamber is rotationally symmetrical about a central axis. A firing assembly is provided in the firing chamber having a center electrode extending along the central axis and a ground electrode whereby a fuel / air mixture present in the firing chamber is flammable by a flashover generated between the center electrode and the ground electrode. The chamber wall has a central bore opposite to the central electrode, arranged on the center axis, which is arranged in a circular cylindrical manner, its axis of symmetry coinciding with the central axis. Laterally from the central bore further, circular cylindrical holes are provided in the chamber wall. The center bore and the side bores provide fluid communication between the ignition chamber and the combustion chamber.

In einem Kompressionstakt des Zylinders wird ein Brennstoff/Luft-Gemisch durch die Mittelbohrung und die seitlichen Bohrungen in die Zündkammer eingeschoben, welches zu einem vorherbestimmten Zündzeitpunkt mithilfe der Zündanordnung in der Zündkammer gezündet wird. Das entflammte Gemisch schießt über die auch als Schusskanäle bezeichneten Bohrungen in der Kammerwandung in den Brennraum, wobei auf diese Weise eine schnelle Ladungsumsetzung des in dem Brennraum vorliegenden Brennstoff/Luft-Gemischs erreicht werden soll. Dies ist insbesondere wichtig, wenn der Verbrennungsmotor mit Gas, insbesondere mit Magergas betrieben wird. In a compression stroke of the cylinder, a fuel / air mixture is inserted through the center bore and the side bores in the ignition chamber, which is ignited at a predetermined ignition timing by means of the ignition assembly in the ignition chamber. The inflamed mixture shoots through the designated as shot channels holes in the chamber wall into the combustion chamber, in this way a rapid charge conversion of the present in the combustion chamber fuel / air mixture is to be achieved. This is particularly important if the internal combustion engine is operated with gas, in particular with lean gas.

Für eine effiziente Zündung in der Zündkammer ist wesentlich, dass diese während des Kompressionstakts gut mit Frischgas, also frischem Brennstoff/Luft-Gemisch, gespült wird. Insbesondere, wenn die Zündanordnung eine Elektrodenanordnung mit einem Zündspalt umfasst, ist es wesentlich, dass der Zündspalt gut gespült und mit Frischgas gefüllt wird. Verbleibt zuviel Restgas aus der vorhergehenden Verbrennung im Zündspalt, kann keine effiziente Zündung gewährleistet werden. Für eine schnelle und effiziente Ladungsumsetzung im Brennraum des Zylinders ist es wesentlich, dass die aus den Schusskanälen austretenden Flammen möglichst weit in den Brennraum eindringen. Als idealer Fall wird angestrebt, dass das Gemisch im Brennraum an allen Orten zugleich entzündet wird. For an efficient ignition in the ignition chamber is essential that it is well flushed with fresh gas, ie fresh fuel / air mixture during the compression stroke. In particular, if the ignition arrangement comprises an electrode arrangement with a spark gap, it is essential that the ignition gap is well rinsed and filled with fresh gas. If too much residual gas from the previous combustion remains in the ignition gap, efficient ignition can not be guaranteed. For a quick and efficient charge conversion in the combustion chamber of the cylinder, it is essential that the flames emerging from the shot channels penetrate as far as possible into the combustion chamber. As an ideal case, the aim is that the mixture in the combustion chamber is ignited at all places at the same time.

Es zeigt sich, dass die Mittelbohrung und die seitlichen Bohrungen bei der bekannten Vorkammerzündkerze einen gleichen Durchmesser aufweisen. Die Mittelbohrung ist allerdings aufgrund ihrer Anordnung strömungstechnisch begünstigt. Dies führt dazu, dass die Spülung der Zündkammer im Kompressionstakt im Wesentlichen über die Mittelbohrung erfolgt. Allerdings hat die strömungstechnische Begünstigung der Mittelbohrung auch zur Folge, dass in deren Bereich die größte Flammeindringtiefe gegeben ist. Dabei ist jedoch ein Abstand der Mittelbohrung zur nächsten Brennraumwand, nämlich einer in einem Kolben, der sich entlang der Mittelachse in dem Zylinder hin- und herbewegt, vorgesehenen Brennraummulde oder anderweitig einer dem Brennraum zugewandten Oberfläche des Kolbens, im Zündzeitpunkt vergleichsweise kurz, weil die Mittelbohrung direkt dem Kolben gegenüberliegt und dieser nahe an seinem oberen Totpunkt angeordnet ist. Demgegenüber weisen die typischerweise schräg in den Brennraum gerichteten, seitlichen Bohrungen einen größeren geometrischen Abstand zu den nächstgelegenen Brennraumwandungen auf. Diese Überlegung zeigt, dass die strömungstechnische Privilegierung der Mittelbohrung, die sich auf die Spülung der Zündkammer günstig auswirkt, für die Ladungsumsetzung ungünstig ist, weil sich die höchste Flammeeindringtiefe an einer Stelle ergibt, an der sie geometrisch nicht genutzt werden kann. Vielmehr sind für eine schnelle Ladungsumsetzung und somit einen guten Wirkungsgrad in erster Linie die seitlichen Bohrungen wesentlich, die jedoch strömungstechnisch gegenüber der Mittelbohrung benachteiligt sind. It turns out that the central bore and the lateral holes have the same diameter in the known pre-chamber spark plug. However, the center hole is aerodynamically favored due to their arrangement. As a result, the flushing of the ignition chamber in the compression stroke takes place essentially via the central bore. However, the aerodynamic advantage of the center bore also means that in their area the greatest flame penetration depth is given. In this case, however, a distance of the central bore to the next combustion chamber wall, namely a combustion chamber in a piston, which moves along the central axis in the cylinder, provided Brennraummulde or otherwise a combustion chamber facing surface of the piston, relatively short in the ignition, because the center hole directly opposite the piston and this is located close to its top dead center. On the other hand, the lateral holes, which are typically directed obliquely into the combustion chamber, have a greater geometric distance from the nearest combustion chamber walls. This consideration shows that the aerodynamic privilege of the central bore, which has a favorable effect on the flushing of the ignition chamber, is unfavorable for the charge conversion, because the highest Flämeeindringtiefe results in a location where it can not be used geometrically. Rather, for a rapid charge conversion and thus a good efficiency in the first place, the lateral holes are essential, which are, however, disadvantaged fluidly compared to the center hole.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Zündeinrichtung und einen Verbrennungsmotor zu schaffen, die einen ausgewogenen Kompromiss zwischen einer guten Spülung der Zündkammer einschließlich einer gemäßigten Ladungsbewegung zum Zündzeitpunkt einerseits, sowie gute Zündbedingungen und einer weiten Flammeindringtiefe in den Brennraum für eine schnelle Ladungsumsetzung andererseits ermöglichen. Hierdurch soll insgesamt der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors gesteigert werden. The invention is therefore based on the object to provide an ignition device and an internal combustion engine, which allow a balanced compromise between a good flushing of the ignition chamber including a moderate charge movement at the ignition on the one hand, as well as good ignition conditions and a wide Flammeindringtiefe into the combustion chamber for rapid charge conversion on the other , This is intended to increase the overall efficiency of the internal combustion engine.

Die Aufgabe wird gelöst, indem eine Zündeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird. The object is achieved by an ignition device is provided with the features of claim 1.

Dadurch, dass der erste Durchmesser, den die zylindrische Mittelbohrung aufweist, kleiner ist als der zweite Durchmesser, den wenigstens eine, seitlich der Mittelbohrung angeordnete, zylindrische Bohrung aufweist, ergibt sich eine stärkere strömungstechnische Drosselung im Bereich der Mittelbohrung. Der positive Spülungseffekt der Mittelbohrung sowie eine gemäßigte Ladungsbewegung zum Zündzeitpunkt in der Zündkammer bleiben aufgrund der strömungstechnisch begünstigten, zentralen Anordnung derselben weiterhin ohne Nachteile erhalten, während zugleich im Bereich der wenigstens einen seitlich der Mittelbohrung angeordneten Bohrung eine höhere Flammeindringtiefe in den Brennraum erzielt wird, weil aufgrund der im Bereich der Mittelbohrung verstärkten Drosselung ein höherer Impuls des entflammten Gemischs im Bereich der wenigstens einen seitlichen Bohrung gegeben ist. Damit wird erreicht, dass die Flammeindringtiefe dort erhöht ist, wo auch ein größerer geometrischer Abstand zur Brennraumwand gegeben ist, sodass die in diesen eindringenden Flammen besser genutzt werden, wodurch eine schnellere Ladungsumsetzung und ein besserer Motorwirkungsgrad erreicht wird. Letztlich wird also ein Kompromiss zwischen einer möglichst guten Spülung der Zündkammer, insbesondere eines Zündspalts, sowie einer möglichst weiten Flammeindringtiefe in den Brennraum optimal abgestimmt, um den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors zu erhöhen. Characterized in that the first diameter, which has the cylindrical center bore, is smaller than the second diameter, the at least one, side of the central bore arranged, cylindrical bore, there is a stronger fluidic throttling in the middle bore. The positive flushing effect of the central bore and a moderate charge movement to the ignition in the ignition remain due to the aerodynamically favored, central arrangement thereof continue to receive without disadvantages, while at the same time in the region of at least one side of the central bore arranged bore a higher flame penetration depth is achieved in the combustion chamber, because due to the increased throttling in the area of the central bore, a higher momentum of the ignited mixture is given in the region of the at least one lateral bore. This ensures that the flame penetration depth is increased where there is a greater geometric distance to the combustion chamber wall, so that the flames are better used in these, whereby a faster charge conversion and better engine efficiency is achieved. Ultimately, therefore, a compromise between the best possible flushing of the ignition chamber, in particular a Zündspalts, and the widest possible Flammeindringtiefe is optimally adjusted in the combustion chamber to increase the efficiency of the internal combustion engine.

Die Mittelbohrung und die wenigstens eine seitliche Bohrung sind vorzugsweise kreiszylindrisch ausgebildet. Sie weisen also bevorzugt eine kreisförmige Grundfläche auf. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist es jedoch möglich, eine von der Kreisform abweichende Grundfläche für die zylindrischen Bohrungen vorzusehen, beispielsweise Grundflächen in Form eines Vielecks, ovale Grundflächen oder anderweitig ausgebildete Grundflächen. Die Angabe eines Durchmessers bezieht sich in dem Fall einer nicht kreisförmigen Grundfläche vorzugsweise auf ein die Durchtrittsfläche der Bohrung bestimmendes Maß, beispielsweise eine Breite oder lichte Weite. Allgemein wird also bevorzugt, dass die Durchtrittsfläche der Mittelbohrung gegenüber der wenigstens einen seitlichen Bohrung geringer ausgebildet ist, sodass sich im Bereich der Mittelbohrung eine Drosselung der Gasströmung im Vergleich zu den seitlichen Bohrungen ergibt. Insbesondere wenn zur Veränderung der Durchtrittsfläche im Bereich der Mittelbohrung nicht nur ein Maß variiert wird, sondern bei von der Kreiszylindrizität abweichenden Bohrungen eine Mehrzahl von Maßen, ist der hier angesprochene Durchmesser demnach als Durchmesser der gedanklich auf eine Kreisform abgebildeten Durchtrittsfläche der Mittelbohrung einerseits und der wenigstens einen seitlichen Bohrung andererseits zu verstehen. The central bore and the at least one lateral bore are preferably circular-cylindrical. So they preferably have a circular base. In other embodiments, however, it is possible to provide a deviating from the circular base for the cylindrical holes, such as bases in the form of a polygon, oval bases or otherwise formed bases. The indication of a diameter in the case of a non-circular base surface preferably refers to a dimension determining the passage area of the bore, for example a width or clear width. In general, it is thus preferred that the passage area of the central bore is made smaller relative to the at least one lateral bore, so that a throttling of the gas flow in comparison to the lateral bores results in the area of the central bore. In particular, if not only a measure is varied to change the passage area in the region of the central bore, but in deviating from the circular cylindricity a plurality of dimensions, the diameter referred to here as the diameter of the imaginary mentally formed on a circular shape passage surface of the central bore on the one hand and at least to understand a side hole on the other hand.

Es wird eine Zündeinrichtung bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass der erste Durchmesser mindestens 10 % bis höchstens 40 %, vorzugsweise mindestens 20 % bis höchstens 30 %, besonders bevorzugt 25 % kleiner ist als der zweite Durchmesser. Dies lässt sich ohne Weiteres umrechnen in entsprechende Bedingungen für die Durchtrittsfläche der Mittelbohrung im Vergleich zu einer Durchtrittsfläche der mindestens einen seitlichen Bohrung. Demnach ist die Durchtrittsfläche der Mittelbohrung bevorzugt mindestens 20 % bis höchstens 60 %, vorzugsweise mindestens 40 % bis höchstens 50 %, besonders bevorzugt 45 % kleiner als die Durchtrittsfläche der wenigstens einen seitlichen Bohrung. Bei Versuchen konnten in diesen Bereichen Wirkungsgradvorteile von bis zu 0,5 %-Punkten für Verbrennungsmotoren mit entsprechenden Zündeinrichtungen nachgewiesen werden gegenüber Verbrennungsmotoren, welche herkömmliche Zündeinrichtungen aufweisen, die identische Durchmesser bezüglich der Mittelbohrung und den seitlichen Bohrungen aufweisen. Die hier angegebenen Werte beziehungsweise Bereiche stellen auch einen besonders günstigen Kompromiss zwischen einer guten Spülung der Zündkammer und insbesondere des Zündspalts sowie einer guten Flammeindringtiefe in den Brennraum für eine schnelle Ladungsumsetzung dar. An ignition device is preferred, which is characterized in that the first diameter is at least 10% to at most 40%, preferably at least 20% to at most 30%, particularly preferably 25% smaller than the second diameter. This can be easily converted into appropriate conditions for the passage area of the central bore compared to a passage area of the at least one lateral bore. Accordingly, the passage area of the central bore is preferably at least 20% to at most 60%, preferably at least 40% to at most 50%, particularly preferably 45% smaller than the passage area of the at least one lateral bore. In experiments, efficiency advantages of up to 0.5 percentage points could be demonstrated in these areas for internal combustion engines with corresponding ignition devices compared to internal combustion engines, which have conventional ignition devices having identical diameter with respect to the center hole and the side holes. The values or ranges given here also represent a particularly favorable compromise between a good flushing of the ignition chamber and, in particular, the ignition gap and a good flame penetration depth into the combustion chamber for rapid charge conversion.

Es wird auch eine Zündeinrichtung bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass sie als Vorkammerzündkerze ausgebildet ist. Dies spricht an, dass die Zündeinrichtung separat von dem Verbrennungsmotor als Einheit ausgebildet ist, die vorzugsweise in einen Zylinderkopf eingeschraubt oder anderweitig an diesem befestigt wird. Dabei sind die Zündkammer und die Kammerwandung Teil der Vorkammerzündkerze. Alternativ ist es möglich, dass die Kammerwandung und die Zündkammer Teil des Verbrennungsmotors, insbesondere des Zylinderkopfes sind, wobei beispielsweise eine Zündkerze, die im Wesentlichen die Zündanordnung umfasst, an dem Zylinderkopf befestigt, vorzugsweise in diesen eingeschraubt wird. Ist die Zündeinrichtung als Vorkammerzündkerze ausgebildet, wird insbesondere bevorzugt, dass die Kammerwandung durch eine Zündkappe gebildet wird, die an einem Grundkörper der Vorkammerzündkerze angeordnet ist. Die Zündkappe ist vorzugsweise durch ein gebogenes Blech gebildet, in welchem die Mittelbohrung und die wenigstens eine seitliche Bohrung angeordnet sind. It is also preferred an ignition device, which is characterized in that it is designed as Vorkammerzündkerze. This is suggested that the ignition device is formed separately from the internal combustion engine as a unit, which is preferably screwed into a cylinder head or otherwise secured thereto. The ignition chamber and the chamber wall are part of the prechamber spark plug. Alternatively, it is possible that the chamber wall and the ignition chamber are part of the internal combustion engine, in particular the cylinder head, for example, a spark plug, which essentially comprises the ignition assembly, attached to the cylinder head, preferably screwed into this. If the ignition device is designed as a prechamber spark plug, it is particularly preferred that the chamber wall is formed by a primer cap which is arranged on a base body of the prechamber spark plug. The firing cap is preferably formed by a bent plate in which the central bore and the at least one lateral bore are arranged.

Es wird auch eine Zündeinrichtung bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Zündanordnung in der Zündkammer angeordnet ist. Die Zündung erfolgt also unmittelbar in der Zündkammer, insbesondere im Bereich eines Zündspalts, wenn die Zündeinrichtung als elektrische Zündkerze ausgebildet ist oder eine elektrische Zündanordnung umfasst. An ignition device is also preferred, which is characterized in that the ignition arrangement is arranged in the ignition chamber. The ignition thus takes place directly in the ignition chamber, in particular in the region of a spark gap, when the ignition device is designed as an electric spark plug or comprises an electrical ignition arrangement.

Alternativ ist es möglich, dass die Vorkammerzündkerze beispielsweise als Laserzündkerze ausgebildet ist. In diesem Fall wird das in der Zündkammer vorliegende Brennstoff/Luft-Gemisch durch einen Laserstrahl gezündet, wobei eine den Laserstrahl erzeugende Lasereinrichtung typischerweise außerhalb der Zündkammer angeordnet ist. Auch in diesem Fall ergibt sich aber ein verbesserter Kompromiss zwischen einer Spülung der Zündkammer einerseits und einer Flammeindringtiefe in den Brennraum andererseits, wenn die Mittelbohrung einen kleineren Durchmesser aufweist als die wenigstens eine seitliche Bohrung. Alternatively, it is possible that the pre-chamber spark plug is formed, for example, as a laser spark plug. In this case, the present in the ignition chamber fuel / air mixture through ignited a laser beam, wherein a laser beam generating laser device is typically disposed outside of the ignition chamber. In this case too, however, there is an improved compromise between flushing the ignition chamber on the one hand and a flame penetration depth into the combustion chamber on the other when the central bore has a smaller diameter than the at least one lateral bore.

Es wird eine Zündeinrichtung bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Zündanordnung als Elektrodenanordnung ausgebildet ist. Diese umfasst bevorzugt eine Mittelelektrode, die zur Zündung eines Zündfunkens mit einer Hochspannung beaufschlagt wird, sowie eine Massenelektrode, welche vorzugsweise dauerhaft auf Massepotenzial liegt beziehungsweise geerdet ist. Die Mittelelektrode ist von der Massenelektrode durch einen Zündspalt beabstandet. Dabei ist ein kleinster Abstand zwischen der Mittelelektrode und der Massenelektrode im Bereich des Zündspalts vorgesehen, sodass ein Funkenüberschlag zwischen der Mittelelektrode und der Massenelektrode in dem Zündspalt erfolgt. Somit erfolgt auch eine Zündung des Brennstoff/Luft-Gemisch in dem Zündspalt, wobei wesentlich ist, dass dieser während des Kompressionstakts des Zylinders ausreichend mit Frischgas gespült wird. Die Mittelelektrode ist vorzugsweise zylindersymmetrisch ausgebildet, wobei ihre Symmetrieachse mit der Mittelachse der Zündkammer zusammenfällt. Entsprechend ist die Mittelbohrung vorzugsweise – entlang der Mittelachse gesehen – der Mittelelektrode gegenüberliegend angeordnet. Durch diese geometrische Anordnung kann der Zündspalt im Kompressionstakt durch die Mittelbohrung hindurch besonders effizient gespült werden. An ignition device is preferred, which is characterized in that the ignition arrangement is designed as an electrode arrangement. This preferably comprises a center electrode, which is acted upon by a high voltage to ignite a spark, and a ground electrode, which is preferably permanently grounded or earthed. The center electrode is spaced from the ground electrode by a spark gap. In this case, a smallest distance between the center electrode and the ground electrode is provided in the region of the ignition gap, so that a sparkover occurs between the center electrode and the ground electrode in the ignition gap. Thus, there is also an ignition of the fuel / air mixture in the ignition gap, wherein it is essential that this is sufficiently purged with fresh gas during the compression stroke of the cylinder. The center electrode is preferably cylindrically symmetrical, with its axis of symmetry coinciding with the central axis of the ignition chamber. Accordingly, the central bore is preferably - as seen along the central axis - arranged opposite the center electrode. As a result of this geometrical arrangement, the ignition gap in the compression stroke can be flushed particularly efficiently through the central bore.

In diesem Zusammenhang wird eine Zündeinrichtung bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Massenelektrode durch die Kammerwandung der Zündkammer gebildet wird. Der Zündspalt besteht also zwischen der Kammerwandung und der Mittelelektrode, sodass sich eine wandnahe Funkenlage ergibt. Besonders bevorzugt wird die Massenelektrode durch die Zündkappe der Vorkammerzündkerze gebildet, die entsprechend dauerhaft auf Massepotenzial liegt. In this context, an ignition device is preferred, which is characterized in that the mass electrode is formed by the chamber wall of the ignition chamber. The spark gap thus exists between the chamber wall and the center electrode, resulting in a spark near the wall. Particularly preferably, the ground electrode is formed by the ignition cap of the prechamber spark plug, which is correspondingly permanently at ground potential.

Alsternativ wird eine Zündeinrichtung bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Massenelektrode separat von der Kammerwandung vorgesehen ist. Es ist möglich, dass die Massenelektrode als einzelnes, insbesondere gebogenes Blech ausgebildet ist, welches sich in den Bereich der Mittelelektrode erstreckt. Ebenfalls ist es möglich, dass die Massenelektrode nicht einstückig, sondern aus mindestens zwei Segmenten gebildet ist, die – in Umfangsrichtung gesehen – um die Mittelelektrode herum, vorzugsweise in gleichem Winkelabstand zueinander, vorgesehen sind. Bevorzugt ist die Massenelektrode als vorzugsweise einstückige Ringelektrode ausgebildet, welche die Mittelelektrode – in Umfangsrichtung gesehen – umgreift. Dabei ist der Zündspalt bevorzugt als Ringspalt ausgebildet, welcher ebenfalls die Mittelelektrode – in Umfangsrichtung gesehen – umgreift. Es ergibt sich so in einfacher Weise eine rotationssymmetrische Anordnung der Mittelelektrode, der Massenelektrode und des Zündspalts. Eine als Ringelektrode ausgebildete Massenelektrode muss nicht zwingend einstückig vorgesehen sein, sondern kann mehrere Segmente umfassen, welche gemeinsam, vorzugsweise symmetrisch, um die Mittelelektrode herum angeordnet sind. Alsternative an ignition device is preferred, which is characterized in that the ground electrode is provided separately from the chamber wall. It is possible that the ground electrode is formed as a single, in particular bent sheet, which extends in the region of the center electrode. It is also possible that the ground electrode is not formed in one piece, but from at least two segments, which - seen in the circumferential direction - are provided around the center electrode, preferably at the same angular distance from each other. Preferably, the ground electrode is formed as a preferably one-piece ring electrode, which surrounds the center electrode - seen in the circumferential direction - surrounds. In this case, the ignition gap is preferably formed as an annular gap, which also surrounds the center electrode - seen in the circumferential direction - surrounds. This results in a simple manner a rotationally symmetrical arrangement of the center electrode, the ground electrode and the ignition gap. A ground electrode formed as a ring electrode need not necessarily be provided in one piece, but may comprise a plurality of segments which are arranged together, preferably symmetrically, around the center electrode.

Eine axiale Richtung spricht eine Richtung an, die sich entlang der Mittelachse der Zündkammer beziehungsweise entlang der Symmetrieachse der Mittelelektrode erstreckt. Eine radiale Richtung spricht eine Richtung an, welche senkrecht auf der axialen Richtung steht. Schließlich spricht eine Umfangsrichtung eine Richtung an, welche die Mittelachse der Zündkammer beziehungsweise die Symmetrieachse der Mittelelektrode konzentrisch umgibt. An axial direction is responsive to a direction extending along the central axis of the firing chamber and along the axis of symmetry of the center electrode, respectively. A radial direction is responsive to a direction perpendicular to the axial direction. Finally, a circumferential direction responds to a direction which concentrically surrounds the center axis of the ignition chamber or the axis of symmetry of the center electrode.

Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 8 geschaffen wird. Dieser zeichnet sich durch eine Zündeinrichtung nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele aus. Damit verwirklichen sich in Hinblick auf den Verbrennungsmotor die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Zündeinrichtung ausgeführt wurden. Insbesondere weist der Verbrennungsmotor einen verbesserten Wirkungsgrad von bis zu 0,5 %-Punkten auf. Es ist weiterhin möglich, aufgrund der optimierten Verbrennung eine Magergrenze des Verbrennungsmotors zu verbessern, den Verbrennungsmotor also mit mageren Gemischen zu betreiben. Insbesondere kann eine Ladungsverdünnung, also eine Abreicherung des Brennstoff/Luft-Gemischs in Hinblick auf den Brennstoffgehalt verwirklicht werden, ohne dass Zündaussetzer zu befürchten sind. Dies bewirkt wiederum eine Absenkung der Stickoxid-Emissionen des Verbrennungsmotors. Schließlich fallen zyklische Schwankungen des Verbrennungsmotors durch die optimierte Ladungsumsetzung im Brennraum geringer aus als bei Verwendung einer herkömmlichen Zündeinrichtung. Es zeigt sich auch, dass der Verbrennungsmotor eine geringere Klopfneigung aufweist als ein vergleichbarer Verbrennungsmotor mit herkömmlicher Zündeinrichtung.The object is also achieved by providing an internal combustion engine with the features of claim 8. This is characterized by an ignition device according to one of the embodiments described above. This realizes with regard to the internal combustion engine, the advantages that have already been carried out in connection with the ignition device. In particular, the internal combustion engine has an improved efficiency of up to 0.5% points. It is also possible, due to the optimized combustion to improve a lean limit of the internal combustion engine, so to operate the engine with lean mixtures. In particular, a charge dilution, that is to say a depletion of the fuel / air mixture with regard to the fuel content, can be achieved without misfiring being feared. This in turn causes a reduction of the nitrogen oxide emissions of the internal combustion engine. Finally, cyclic fluctuations of the internal combustion engine due to the optimized charge conversion in the combustion chamber are lower than when using a conventional ignition device. It also turns out that the internal combustion engine has a lower tendency to knock than a comparable internal combustion engine with a conventional ignition device.

Es wird auch ein Verbrennungsmotor bevorzugt, der sich dadurch auszeichnet, dass er als Gasmotor, insbesondere als Magergasmotor ausgebildet ist. Gerade bei einem solchen Motor, der gegebenenfalls mit einem Sondergas mit hohem Inertgasanteil betrieben wird, ist der Kompromiss zwischen einer guten Spülung der Zündkammer einerseits und einer schnellen Ladungsumsetzung aufgrund einer weiten Flammeindringtiefe in den Brennraum andererseits besonders wichtig. Damit verwirklichen sich in Zusammenhang mit einem solchen Verbrennungsmotor in besonderer Weise die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Zündeinrichtung erläutert wurden. It is also preferred an internal combustion engine, which is characterized in that it is designed as a gas engine, in particular as a lean-burn gas engine. Especially in such an engine, which is optionally operated with a special gas with a high inert gas, the compromise between a good flushing of the ignition chamber on the one hand and On the other hand, a rapid charge conversion due to a wide flame penetration into the combustion chamber on the other hand particularly important. This realizes in connection with such an internal combustion engine in a special way the advantages that have already been explained in connection with the ignition device.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to the drawing. Showing:

1 eine Längsschnittansicht eines Beispiels einer aus dem Stand der Technik bekannten Vorkammerzündkerze, und 1 a longitudinal sectional view of an example of a known from the prior art Vorkammerzündkerze, and

2 eine Längsschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Zündeinrichtung. 2 a longitudinal sectional view of an embodiment of an ignition device according to the invention.

1 zeigt eine Längsschnittansicht einer aus dem Stand der Technik bekannten Zündeinrichtung 1. Diese ist als Vorkammerzündkerze ausgebildet und weist eine von einer Kammerwandung 3 in an einem Zylinder eines Verbrennungsmotors montiertem Zustand von einem Brennraum des Zylinders abgeteilte Zündkammer 5 auf. Die Zündeinrichtung 1 insgesamt und damit auch die Zündkammer 5 weist eine Mittelachse A auf, wobei die Zündeinrichtung 1 im Wesentlichen rotationssymmetrisch um die Mittelachse A ausgebildet ist. 1 shows a longitudinal sectional view of an ignition device known from the prior art 1 , This is designed as Vorkammerzündkerze and has one of a chamber wall 3 in a mounted on a cylinder of an internal combustion engine state of a combustion chamber of the cylinder divided ignition chamber 5 on. The ignition device 1 overall and thus also the ignition chamber 5 has a central axis A, wherein the ignition device 1 is formed substantially rotationally symmetrical about the central axis A.

In der Zündkammer 5 ist eine Zündanordnung 7 vorgesehen, die hier als Elektrodenanordnung ausgebildet ist und eine Mittelelektrode 9 sowie eine Massenelektrode 11 umfasst. Die Mittelelektrode 9 ist hier zylindersymmetrisch ausgebildet, wo ihre Symmetrieachse mit der Mittelachse A zusammenfällt. Die Massenelektrode 11 ist von der Kammerwandung 3 separat ausgebildet, nämlich als segmentierte Ringelektrode, welche die Mittelelektrode 9 – in Umfangsrichtung gesehen – mit symmetrisch angeordneten Einzelsegmenten umgreift. Dabei ist zwischen der Mittelelektrode 9 und der Massenelektrode 11 ein als Ringspalt ausgebildeter Zündspalt 13 angeordnet, der die Mittelelektrode 9 – in Umfangsrichtung gesehen – umgreift. In the ignition chamber 5 is a firing arrangement 7 provided, which is designed here as an electrode assembly and a center electrode 9 and a ground electrode 11 includes. The center electrode 9 is here cylindrically symmetrical, where its axis of symmetry coincides with the central axis A. The ground electrode 11 is from the chamber wall 3 separately formed, namely as a segmented ring electrode, which the center electrode 9 - Seen in the circumferential direction - surrounds with symmetrically arranged individual segments. It is between the center electrode 9 and the ground electrode 11 a trained as an annular gap spark gap 13 arranged, which is the center electrode 9 - seen in the circumferential direction - encompasses.

Es ist eine kreiszylindrische Mittelbohrung 15 vorgesehen, deren Symmetrieachse mit der Mittelachse A zusammenfällt, und die die Kammerwandung 3 durchsetzt. It is a circular cylindrical center hole 15 provided, whose axis of symmetry coincides with the central axis A, and the chamber wall 3 interspersed.

Außerdem sind in 1 zwei seitlich der Mittelbohrung 15 angeordnete, kreiszylindrische Bohrungen 17, 17’ dargestellt, welche ebenfalls die Kammerwandung 3 durchsetzen. Die Mittelbohrung 15 und die seitlichen Bohrungen 17, 17’ stellen eine Fluidverbindung zwischen der Zündkammer 5 und dem in 1 nicht dargestellten Brennraum eines Zylinders bereit, dem die Zündeinrichtung 1 zugeordnet ist. Also, in 1 two laterally of the center hole 15 arranged, circular cylindrical holes 17 . 17 ' shown, which also the chamber wall 3 push through. The center hole 15 and the side holes 17 . 17 ' provide a fluid connection between the ignition chamber 5 and in 1 not shown combustion chamber of a cylinder ready, the ignition device 1 assigned.

Bevorzugt sind mehr als zwei seitliche Bohrungen 17, 17’ vorzugsweise im gleichen Winkelabstand voneinander um die Mittelachse A herum angeordnet. Es ist auch möglich, dass die seitlichen Bohrungen 17, 17’ asymmetrisch angeordnet sind, insbesondere um ihre Lage auf asymmetrische Verbrennungsbedingungen in dem Brennraum anzupassen. In diesem Fall ist die Zündeinrichtung 1 zumindest in Hinblick auf die seitlichen Bohrungen 17, 17’ nicht rotationssymmetrisch ausgebildet.Preference is given to more than two lateral holes 17 . 17 ' preferably arranged at the same angular distance from each other about the central axis A around. It is also possible that the side holes 17 . 17 ' are arranged asymmetrically, in particular to adapt their position to asymmetric combustion conditions in the combustion chamber. In this case, the ignition device 1 at least with regard to the lateral holes 17 . 17 ' not rotationally symmetrical.

Bei der in 1 dargestellten Zündeinrichtung 1 ist ein Durchmesser der kreiszylindrischen Mittelbohrung 15 gleich groß ausgebildet wie die Durchmesser der seitlichen, kreiszylindrischen Bohrungen 17, 17’. At the in 1 shown ignition device 1 is a diameter of the circular cylindrical central bore 15 the same size as the diameter of the lateral, circular cylindrical holes 17 . 17 ' ,

Während eines Kompressionstakts des nicht dargestellten Zylinders wird ein Brennstoff/Luft-Gemisch von dem Brennraum in die Zündkammer 5 eingeschoben, wobei eine Spülung der Zündkammer 5 und insbesondere des Zündspalts 13 mit Frischgas insbesondere durch die strömungstechnisch begünstigt angeordnete Mittelbohrung 15 bewirkt wird. In einem vorherbestimmten Zündzeitpunkt wird das Brennstoff/Luft-Gemisch in dem Zündspalt 13 entzündet, wobei es insgesamt in der Zündkammer 5 entflammt wird. Das entflammte Gemisch schießt sodann über die auch als Schusskanäle bezeichneten Bohrungen 15, 17, 17’ in den Brennraum und entflammt das dort vorliegende Brennstoff/Luft-Gemisch. Aufgrund der strömungstechnisch begünstigt angeordneten Mittelbohrung 15 ergibt sich hier eine besonders intensive Strömung des entflammten Gemischs, sodass in diesem Bereich eine größte Flammeindringtiefe gegeben wäre, wenn sich diese tatsächlich im Brennraum verwirklichen könnte. Da jedoch im Zündzeitpunkt eine Kolbenoberfläche eines in dem Brennraum verlagerbar angeordneten Kolbens relativ nah an der Mittelbohrung 15 angeordnet ist, ergibt sich hier ein vergleichsweise kurzer geometrischer Weg für das entflammte Gemisch zur nächst gelegenen Brennraumwand. Demgegenüber ist im Bereich der seitlichen Bohrungen 17, 17’ ein geometrisch längerer Weg bis zur nächstgelegenen Brennraumwand gegeben, der jedoch nicht genutzt werden kann, weil die seitlichen Bohrungen 17, 17’ strömungstechnisch benachteiligt sind und daher eine reduzierte Flammeindringtiefe aufweisen. During a compression stroke of the cylinder, not shown, a fuel / air mixture from the combustion chamber into the ignition chamber 5 inserted, with a purge of the ignition chamber 5 and in particular the ignition gap 13 with fresh gas in particular by the aerodynamically favored arranged central bore 15 is effected. At a predetermined ignition timing, the fuel / air mixture becomes in the ignition gap 13 ignited, taking it in total in the ignition chamber 5 is inflamed. The inflamed mixture then shoots over the wells called shot channels 15 . 17 . 17 ' into the combustion chamber and ignites the fuel / air mixture present there. Due to the aerodynamically favored arranged central bore 15 This results in a particularly intense flow of the ignited mixture, so that would be given in this area a largest Flammeindringtiefe if this could actually be realized in the combustion chamber. However, since at the time of ignition, a piston surface of a piston displaceably arranged in the combustion chamber is relatively close to the central bore 15 is arranged here results in a comparatively short geometric path for the inflamed mixture to the nearest combustion chamber wall. In contrast, in the area of the lateral bores 17 . 17 ' a geometrically longer way given to the nearest combustion chamber wall, but which can not be used because the side holes 17 . 17 ' are fluidly disadvantaged and therefore have a reduced flame penetration.

Die in 1 dargestellte Zündeinrichtung 1 ist daher in Hinblick auf eine Ladungsumsetzung im Brennraum verbesserungswürdig. In the 1 illustrated ignition device 1 is therefore in need of improvement in view of a charge conversion in the combustion chamber.

Das hier angesprochene Problem wird gelöst beispielsweise durch das in 2 im Längsschnitt dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zündeinrichtung 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. The problem addressed here is solved for example by the in 2 in longitudinal section illustrated embodiment of a Ignition device according to the invention 1 , Identical and functionally identical elements are provided with the same reference numerals, so that reference is made to the preceding description.

Bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt der Durchmesser der kreiszylindrischen Mittelbohrung 15 ungefähr 80 % des Durchmessers der kreiszylindrischen, seitlichen Bohrungen 17, 17’, er ist also um ungefähr 20 % kleiner ausgebildet als deren Durchmesser. Hierdurch ergibt sich eine Drosselung der Gasströmung im Bereich der Mittelbohrung 15, sodass die Flammeindringtiefe hier reduziert ist. Zugleich ist dadurch die Flammeindringtiefe im Bereich der seitlichen Bohrungen 17, 17’ erhöht, sodass die dort zur Verfügung stehende, größere Eindringtiefe in den Brennraum genutzt werden kann, um eine schnelle Ladungsumsetzung zu bewirken. Es ergibt sich so im Zündzeitpunkt eine bessere Verteilung der Strömung des entflammten Gemischs, mithin eine schnellere und homogenere Ladungsumsetzung im Brennraum und ein gesteigerter Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors. In this embodiment, the diameter of the circular cylindrical central bore 15 about 80% of the diameter of the circular cylindrical, lateral holes 17 . 17 ' , so he is about 20% smaller than their diameter. This results in a throttling of the gas flow in the region of the central bore 15 so that the flame penetration depth is reduced here. At the same time, the flame penetration depth is in the area of the lateral holes 17 . 17 ' increased so that the available, greater penetration depth into the combustion chamber can be used to effect a rapid charge conversion. This results in the ignition time a better distribution of the flow of the ignited mixture, thus a faster and more homogeneous charge conversion in the combustion chamber and an increased efficiency of the engine.

Zugleich bleibt eine gute Spülung der Zündkammer 5 und insbesondere des Zündspalts 13 erhalten, weil die Mittelbohrung 15 noch immer zentral und damit strömungstechnisch günstig in Bezug auf den Zündspalt 13 angeordnet ist. Durch diese geometrische Anordnung ist noch immer gewährleistet, dass das frische Brennstoff/Luft-Gemisch, mithin das Frischgas, im Kompressionstakt im wesentlichen durch die Mittelbohrung 15 in die Zündkammer 5 eingebracht wird, wodurch der Zündspalt 13 effizient gespült wird. At the same time, a good flush of the ignition chamber remains 5 and in particular the ignition gap 13 get because the center hole 15 still central and thus favorable in terms of flow in relation to the ignition gap 13 is arranged. This geometric arrangement still ensures that the fresh fuel / air mixture, thus the fresh gas, in the compression stroke substantially through the central bore 15 into the ignition chamber 5 is introduced, whereby the spark gap 13 is rinsed efficiently.

Daher ist auch eine effiziente Zündung im Zündspalt 13 nicht gefährdet, sodass insgesamt ein ausgewogener Kompromiss zwischen einer guten Spülung einerseits und einer schnellen und homogenen Ladungsumsetzung im Brennraum andererseits erreicht ist. Therefore, also an efficient ignition in the ignition gap 13 not compromised, so that overall a balanced compromise between a good flushing on the one hand and a fast and homogeneous charge conversion in the combustion chamber on the other hand is achieved.

Es zeigt sich noch, dass die Zündeinrichtung 1 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Vorkammerzündkerze ausgebildet ist, wobei die Kammerwandung 3 durch eine an einem Grundkörper 19 der Vorkammerzündkerze angeordnete Zündkappe 21 gebildet ist. It still shows that the ignition device 1 is formed in the illustrated embodiment as Vorkammerzündkerze, wherein the chamber wall 3 by one on a basic body 19 the prechamber spark plug arranged ignition cap 21 is formed.

Insgesamt zeigt sich, dass mithilfe der Zündeinrichtung 1 und des Verbrennungsmotors, in welchem die Zündeinrichtung 1 verwendet wird, eine Wirkungsgradverbesserung, eine Erweiterung der Zündgrenzen und eine verringerte Klopfneigung erreichbar sind.Overall, it shows that using the ignition device 1 and the internal combustion engine in which the ignition device 1 An improvement in efficiency, an extension of the ignition limits and a reduced tendency to knock are achievable.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10144976 A1 [0002]

Claims

Ignition device ( 1 ) for an internal combustion engine, with respect to a combustion chamber of one of the ignition device ( 1 ) associated cylinder of an internal combustion engine through a chamber wall ( 3 ) divided, a central axis (A) having ignition chamber ( 5 ), wherein an ignition arrangement ( 7 ) is provided for igniting a present in the ignition chamber fuel / air mixture, and wherein the chamber wall ( 3 ) has a first diameter, cylindrical central bore ( 15 ), whose axis of symmetry coincides with the central axis (A), and at least one, having a second diameter, cylindrical bore ( 17 . 17 ' ), which laterally from the central bore ( 15 ), wherein the central bore ( 15 ) and the at least one lateral bore ( 17 . 17 ' ) a fluid connection between the ignition chamber ( 5 ) and the combustion chamber, characterized in that the first diameter is smaller than the second diameter.

Ignition device ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the first diameter at least 10% to at most 40%, preferably at least 20 % to at most 30%, more preferably 25% smaller than the second diameter.

Ignition device ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the ignition device ( 1 ) is formed as Vorkammerzündkerze, wherein the chamber wall ( 3 ) preferably by a on a base body ( 19 ) of the prechamber spark plug arranged ignition cap ( 21 ) is formed.

Ignition device ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the ignition arrangement ( 7 ) in the ignition chamber ( 5 ) is arranged.

Ignition device ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the ignition arrangement ( 7 ) is designed as an electrode arrangement which has a center electrode ( 9 ) and a ground electrode ( 11 ), wherein the center electrode ( 9 ) from the ground electrode ( 11 ) through a spark gap ( 13 ) is spaced.

Ignition device ( 1 ) according to claim 5, characterized in that the ground electrode ( 11 ) through the chamber wall ( 3 ) of the ignition chamber ( 5 ), in particular by the ignition cap ( 21 ) of the prechamber spark plug is formed.

Ignition device ( 1 ) according to claim 5, characterized in that the ground electrode ( 11 ) separately from the chamber wall ( 3 ) is provided, wherein it is preferably formed as a ring electrode, which the center electrode ( 9 ) - seen in the circumferential direction - encompasses, wherein the spark gap ( 13 ) preferably as the center electrode ( 9 ) - seen in the circumferential direction - encompassing annular gap is formed.

Internal combustion engine, characterized by an ignition device ( 1 ) according to one of claims 1 to 7.

Internal combustion engine according to claim 8, characterized in that the internal combustion engine is designed as a gas engine, in particular as a lean-burn gas engine.