DE102013009413A1

DE102013009413A1 - Zündvorrichtung zum Zünden eines Gasgemisches einer mit Gas betriebenen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102013009413A1
Application number: DE102013009413.5A
Authority: DE
Inventors: Sascha Stoll; Martin Lenz
Original assignee: MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2013-06-05
Filing date: 2013-06-05
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2033-06-06
Also published as: KR20140143103A; DE102013009413B4; CN104234817B; FI20145485L; KR102081463B1; JP2014238089A; CN104234817A

Abstract

Es wird Zündvorrichtung (1) zum Zünden eines Gasgemisches in einer Hauptbrennkammer (11) einer mittels Gas betriebenen Brennkraftmaschine vorgeschlagen, wobei die Zündvorrichtung (1) ein Gehäuse (2) mit einer eine Vorkammer (4) ausbildenden Innenausnehmung (3) mit einer Zündfunken bereit stellenden Einrichtung (6) zur Entzündung eines Gasgemisches in der Vorkammer (4) besitzt und das Gehäuse (2) Überströmöffnungen (10) zum Durchtritt von Zündfackeln aus der Vorkammer (4) in die Hauptbrennkammer (11) zur Zündung des Gasgemisches in der Hauptbrennkammer (11) aufweist und die Innenausnehmung (3) einen sich in Richtung zu den Überströmöffnungen (10) hin querschnittlich erweiternden Bereich (8) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündvorrichtung zum Zünden eines Gasgemisches in einer Hauptbrennkammer einer mittels Gas betriebenen Brennkraftmaschine, wobei die Zündvorrichtung ein Gehäuse mit einer eine Vorkammer ausbildenden Innenausnehmung mit einer Zündfunken bereit stellenden Einrichtung zur Entzündung eines Gasgemisches in der Vorkammer besitzt und das Gehäuse Überströmöffnungen zum Durchtritt von Zündfackeln aus der Vorkammer in die Hauptbrennkammer zur Zündung des Gasgemisches in der Hauptbrennkammer aufweist.
Gasmotoren werden zur Reduzierung der Schadstoffemissionen oftmals als Magermotoren mit hohem Luftüberschuss betrieben, so dass diese Motoren zur zuverlässigen Zündung des mageren Gemisches eine Initialzündung benötigen, die sich in die Hauptbrennkammer ausbreitet und zwar derart, dass die Initialzündung nicht erlischt, bevor die Zündung des Gasgemisches in der Hauptbrennkammer eingesetzt hat.
Gasmotoren können zur sicheren Zündung und Bereitstellung einer Initialzündung eine Vorkammer aufweisen, die als Zündverstärker wirkt und von der aus sich die Initialzündung in die Hauptbrennkammer ausbreitet. Die Vorkammer wird dabei während eines Ansaugtaktes mit dem zur Verbrennung vorgesehenen Gas gespült und beim Verdichtungstakt in der Hauptbrennkammer wird Verbrennungsluft in die Vorkammer gespült und dort zusammen mit dem Gas komprimiert, so dass sich ein zündfähiges Gemisch in der Vorkammer einstellt. In der Vorkammer befindet sich eine Einrichtung angeordnet, die Zündfunken bereit stellt, die dann letztlich eine Zündung des Gasgemisches in der Vorkammer auslösen. Die sich in der Vorkammer ausbreitende Flammenfront tritt durch die Überströmöffnungen aus der Vorkammer in Richtung der Hauptbrennkammer aus und entzündet dort das Magergemisch zur Herbeiführung einer Verbrennung in der Hauptbrennkammer.
Anhand der DE 10 2007 015 036 A1 ist eine Laserzündung für Gasgemische bekannt geworden. Diese besitzt eine Vorkammer, in der ein zündfähiges Gasgemisch mittels eines Laserstrahls, der auf einen sich auf die erforderliche Zündtemperatur erhitzenden Absorberkörper strahlt, entzündet wird. Die Zündung findet dabei in der Vorkammer statt und die Flammenfront breitet sich in Richtung einer vorderen Vorkammer aus, die einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als der Durchmesser der eigentlichen Vorkammer.
Von der vorderen Vorkammer ausgehend verlaufen Überströmöffnungen in Richtung zur Hauptbrennkammer und durch diese Überströmöffnungen kann sich die Flammenfront in Richtung zum zündfähigen Gemisch in der Hauptbrennkammer ausbreiten, um dort für eine Zündung der Hauptkammerverbrennung zu sorgen.
Eine ähnliche Zündvorrichtung ist auch auf die Anmelderin zurückgehend bekannt geworden. Es hat sich gezeigt, dass die Vorkammer einer hohen thermischen und mechanischen Belastung ausgesetzt ist, da die Gehäusewandungen, durch die die Überströmöffnungen verlaufen, während des Spülvorgangs mit Brenngas gekühlt werden, während es beim Verdichtungstakt in der Hauptbrennkammer und insbesondere während der Initialzündung in der Vorkammer zu einem deutlichen Temperaturanstieg der Wandung kommt.
Die Gehäusewand der Zündvorrichtung ist daher Wechsellasten sowohl hinsichtlich der Temperatur als auch hinsichtlich der sich abwechselnden Druckspannungen und Zugspannungen ausgesetzt und unterliegt daher einer starken Wechselbeanspruchung. Auch hat es sich gezeigt, dass es aufgrund der im Überschallgeschwindigkeitsbereich ausbreitenden Flammenfront der Initialzündung zu Drosseleffekten beim Durchtritt der Flammenfront durch die Überströmöffnungen kommt.
Durch die hohen Strömungsgeschwindigkeiten der Flammenfront wird der effiziente Durchmesser der Überströmöffnungen verringert, da es zu einer Einschnürung des Zündfackelquerschnitts während des Durchtritts durch die Überströmöffnungen kommt. Diese Effekte führen zu einem Verschleiß der Vorkammer im Bereich der Überströmöffnungen in Folge von Korrosion, Oxidation und Erosion, so dass dadurch der Wartungsaufwand an der mit Gas betriebenen Brennkraftmaschine steigt.
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung zur Beseitigung der geschilderten Nachteile die Aufgabe zu Grunde, die Zündvorrichtung derart weiterzubilden, dass einerseits eine effiziente und sichere Zündung des Gasgemisches in der Hauptbrennkammer erreicht wird und andererseits der Verschleiß der Zündvorrichtung und damit der dadurch bedingte Wartungsaufwand verringert werden kann.
Die Erfindung weist zur Lösung dieser Aufgabe die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale auf, vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Die Erfindung schafft eine Zündvorrichtung zum Zünden eines Gasgemisches in einer Hauptbrennkammer einer mittels Gas betriebenen Brennkraftmaschine, wobei die Zündvorrichtung ein Gehäuse mit einer eine Vorkammer ausbildenden Innenausnehmung mit einer Zündfunken bereit stellenden Einrichtung zur Entzündung eines Gasgemisches in der Vorkammer besitzt und das Gehäuse Überströmöffnungen zum Durchtritt von Zündfackeln aus der Vorkammer in die Hauptbrennkammer zur Zündung des Gasgemisches in der Hauptbrennkammer aufweist, wobei die Innenausnehmung einen sich in Richtung zu den Überströmöffnungen hin querschnittlich erweiternden Bereich aufweist.
Damit schafft die Erfindung einen Zündverstärker, der eine Vorkammer mit Überströmöffnungen zum Durchtritt von Flammen einer Initialzündung aus der Vorkammer in die Hauptbrennkammer aufweist, wobei sich die Überströmöffnungen in einem Bereich der Vorkammer befinden, der eine größere Querschnittsfläche aufweist als ein vorgelagerter Abschnitt der Vorkammer, den die Flammen der Initialzündung auf ihrem Weg in Richtung zu den Überströmöffnungen durchlaufen.
Durch den sich querschnittlich erweiternden Bereich wird die Geschwindigkeit der Flammen der Zündfackeln beim Durchtritt durch die Überströmöffnungen in Richtung der Hauptbrennkammer zwar verringert, aber nicht so weit verringert, dass eine zuverlässige Zündung des Gasgemisches in der Hauptbrennkammer nicht mehr stattfinden würde. Die Verringerung der Geschwindigkeit hat aber den großen Vorteil, dass die für den Durchtritt der Zündfackeln wirksame Querschnittsfläche der Überströmöffnungen verglichen mit der wirksamen Querschnittsfläche des bekannten Zündverstärkers bei gleichem Öffnungsdurchmesser der Überströmöffnungen größer ist. Dadurch nimmt der die Zündfackeln beeinflussende Drosseleffekt ab und es kommt zu einer Verringerung der mechanischen und thermischen Belastung der Vorkammer im Bereich der Überströmöffnungen, so dass die Vorkammer eine deutlich verlängerte Standzeit aufweist, verglichen mit der Vorkammer der bekannten Zündvorrichtung.
Die Erweiterung führt dazu, dass der Lochabstand zwischen den Überströmöffnungen zunimmt und damit die Breite der Stege zwischen den Eintrittsbohrungen der Überströmöffnungen in der Innenausnehmung der Vorkammer. Die vergrößerte Stegbreite wiederum führt zu einer verbesserten Abfuhr der durch die Zündfackeln und die Verbrennung in der Hauptbrennkammer eingetragenen Wärme bei ansonsten gleichbleibendem Außenumfang des Gehäuses im Bereich der Überströmöffnungen verglichen mit dem Außenumfang des Gehäuses der bekannten Zündvorrichtung.
Damit kann der Gefahr von Rissbildung am Gehäuse im Bereich der Überströmöffnungen wirksam begegnet werden. Solche Risse würden sich bei einer Vergrößerung des Außenumfangs des Gehäuses aufgrund eines unzulässigen Anstiegs der thermisch bedingten Spannungen ergeben, zudem würde eine Vergrößerung des Außenumfangs zu einer Verlängerung der Wegstrecke der Zündfackeln beim Durchtritt durch das Gehäuse führen und damit zu einer Erhöhung des Wärmeverlusts, was wiederum zu Nachteilen hinsichtlich der Zündsicherheit in der Hauptbrennkammer führen würde.
Es ist nach einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass der sich erweiternde Bereich eine sich von einem zylindrischen Abschnitt ausgehende kegelförmig erweiternde Innenausnehmung mit einem Boden aufweist, oberhalb dem eine Mehrzahl sich weitgehend radial nach außen erstreckender Bohrungen angeordnet sind, die die Außenwand des Gehäuses durchsetzen.
Die Erweiterung kann also von dem weitgehend zylindrischen Abschnitt ausgehend kegelstumpfförmig ausgebildet sein, so dass sich die Überströmöffnungen im Bereich der Basis des Kegelstumpfs angeordnet befinden.
In ähnlicher Weise kann der Bereich eine sich von einem zylindrischen Abschnitt ausgehende Innenausnehmung aufweisen, deren Außenkontur kugelkappenförmig ausgebildet ist, an deren Kugelkappenaußenfläche sich weitgehend radial nach außen erstreckende Bohrungen angeordnet sind, die die Außenwand des Gehäuses durchsetzen. Bei einer solchen Ausführungsform bildet der weitgehend zylindrische Abschnitt zusammen mit der kugelkappenförmigen Innenausnehmung eine Struktur ähnlich einem invertierten Pilz, der vom zylindrischen Abschnitt ausgehend einen sich zu den Überströmöffnungen hin querschnittlich erweiternden Bereich aufweist.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Bohrungen, die die Überströmöffnungen ausbilden, in einem sich von einem rechten Winkel relativ zu einer Längsmittelachse des zylindrischen Abschnitts unterscheidenden Winkel angeordnet sind. Die Ausrichtung der Überströmöffnungen ist dabei vorzugsweise so gewählt, dass die Zündfackeln bei Durchtritt durch die Überströmöffnungen einen Impuls in Richtung der Abwärtsbewegung eines in der Hauptbrennkammer angeordneten Kolbens erfahren. Die Zündfackeln werden dadurch in Richtung zu einem auch im Magerbetrieb zündfähigen Gasgemisch in der Hauptbrennkammer geleitet.
Es ist nach einer Weiterbildung der Erfindung auch vorgesehen, dass der sich erweiternde Bereich einen Innendurchmesser aufweist, der etwa dem 1 bis 1,5-fachen, vorzugsweise dem etwa 1,1 bis 1,4-fachen, vorzugsweise dem etwa 1,2 bis 1,3-fachen des Innendurchmessers des zylindrischen Abschnitts entspricht.
Damit kann in Abhängigkeit vom Außendurchmesser des Gehäusebereichs, der den sich erweiternden Bereich aufweist, die Stegbreite der Gehäusewandung zwischen den Überströmöffnungen verglichen mit der Stegbreite zwischen den Überströmöffnungen der bekannten Zündvorrichtung auf den bis zu dreifachen Wert erhöht werden. Dadurch kann die Wärmeleitung durch den Steg deutlich verbessert werden und durch das größere Volumen der Innenausnehmung des Gehäuses, welches die Vorkammer bildet, kann der Zünddruck in der Vorkammer verglichen mit dem Zünddruck in der Vorkammer der bekannten Zündvorrichtung um etwa 15% bei gleich bleibender Zündstabilität verringert werden.
Es ist nach einer Weiterbildung der Erfindung auch vorgesehen, dass die Innenausnehmung im Bereich der Zündfunken bereit stellenden Einrichtung querschnittlich weitgehend zylindrisch ausgebildet ist und einen Innendurchmesser aufweist, der größer ist als der Innendurchmesser des sich daran anschließenden zylindrischen Bereichs, der dann in den sich erweiternden Bereich übergeht.
Dadurch wird die Bildung eines zündfähigen Gemisches im Bereich der beispielsweise zu nennenden Zündkerze in der Vorkammer erreicht, die nach der Zündung entstehende Flammenfront tritt von dem Bereich mit größerem Durchmesser, der auch als Vorkammerbauch bezeichnet wird, in den zylindrischen Abschnitt mit geringerem Durchmesser ein, der auch als Vorkammerhals bezeichnet wird und von dort schließlich in den sich erweiternden Bereich ein, in dem die Geschwindigkeit der Flammenfront verringert wird, von dem aus die Flammenfront dann in der Form von Zündfackeln durch die Überströmöffnungen in die Hauptbrennkammer austritt.
Es ist nach einer Weiterbildung der Erfindung auch vorgesehen, dass das die Vorkammer bildende Gehäuse eine langgestreckte zylinderförmige Außenform mit sich entlang der Längsersteckung des Gehäuses zumindest abschnittsweise veränderndem Außendurchmesser besitzt. Hierdurch konnte eine der Kontur der Innenausnehmung folgende, hinsichtlich der Wandstärke in Richtung reduzierter Rissgefahr optimierte Gehäuseform geschaffen werden, was zu einer langen Betriebsstandzeit der erfindungsgemäßen Zündvorrichtung führt.
Schließlich ist es nach der Erfindung auch noch vorgesehen, dass der Abstand zwischen Außenrändern der Austrittsöffnungen zum Hauptbrennraum benachbarter Überströmöffnungen etwa dem 0.13 bis 0.15-fachen der Querschnittsbreite des Gehäuses im Bereich der Überströmöffnungen beträgt. Diese Konfiguration führt in vorteilhafter Weise zu großen Stegbreiten, die eine optimierte Abfuhr von Wärme aus dem Bereich der Stege durch Wärmeleitung ermöglicht, was wiederum der Betriebsstandzeit der erfindungsgemäßen Zündvorrichtung zugute kommt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in der einzigen Figur eine schematische Längsschnittdarstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündvorrichtung.
Die Zündvorrichtung 1 besitzt ein schematisch dargestelltes Gehäuse 2 mit einer sich entlang der Längserstreckung des Gehäuses 2 abschnittsweise verändernden Außenkontur aufgrund sich abschnittsweise veränderndem Außendurchmesser des Gehäuses 2. Damit kann eine die während des Betriebs der Zündvorrichtung 1 auf das Gehäuse wirkenden thermischen und mechanischen Belastungen, die zu entsprechenden Bauteilspannungen führen, berücksichtigende Gehäuseform bereit gestellt werden. Ganz allgemein weist dabei das Gehäuse eine Längserstreckung auf, die größer ist als die Quererstreckung im Bereich des größten Gehäusedurchmessers.
Das Gehäuse besitzt eine Innenausnehmung 3, die drei unterschiedlich konfigurierte Abschnitte aufweist und die Vorkammer 4 ausbildet. Die Vorkammer 4 weist einen Vorkammerbauch 5 auf, in dem eine Zündkerze 6 zur Zündung des Gasgemisches in der Vorkammer 4 angeordnet ist.
Die Vorkammer 4 wird während des Ansaugtakts der nicht näher dargestellten Hauptbrennkammer des Gasmotors über ein ebenfalls nicht näher dargestelltes Ventil mit Gas gespült, um während des anschließenden Verdichtungstakts ein zündfähiges Gemisch in der Vorkammer 4 bereitzustellen. Die von der Zündkerze 6 eingeleitete Initialzündung führt zu einer sich entlang des Vorkammerbauchs 5 in Richtung zum Vorkammerhals 7 ausbreitenden Flammenfront.
Der Vorkammerhals 7 ist als weitgehend zylindrischer Abschnitt ausgebildet und geht vom Vorkammerbauch 5 aus betrachtet in einen sich querschnittlich erweiternden Bereich 8 über, der bei der dargestellten Ausführungsform als eine sich kegelförmig ausbildende Erweiterung mit einem Boden 9 ausgebildet ist.
Oberhalb des Bodens 9 sind am Umfang des sich kegelförmig erweiternden Bereichs 8 gleichverteilte Überströmöffnungen 10 vorgesehen, durch die sich die Flammenfront aus der Vorkammer 4 in der Form von Zündfackeln in die Hauptbrennkammer 11 ausbreiten können, um dort ein Gasgemisch zu entzünden.
Durch den sich querschnittlich erweiternden Bereich 8 wird erreicht, dass der Abstand A zwischen den Überströmöffnungen 10 verglichen mit dem Abstand zwischen Überströmöffnungen einer bekannten Zündvorrichtung um den Faktor drei vergrößert werden konnte. Dadurch besitzen die Stege 12 zwischen benachbarten Überströmöffnungen 10 eine die Wärmeableitung begünstigende Breite, was wiederum dazu führt, dass die durch die thermischen und mechanischen Belastungen induzierten Spannungen in den Stegen 12 deutlich verringert werden konnten.
Die Geschwindigkeit der Flammenfront der Initialzündung nimmt auf dem Weg vom Vorkammerhals 7 zu dem sich erweiternden Bereich 8 aufgrund der sich erweiternden Querschnittsfläche zwar ab, gleichzeitig aber nimmt der durch die hohen Gasgeschwindigkeiten bedingte, die Zündeffizienz der Zündfackeln in der Hauptbrennkammer negativ beeinflussende Drosseleffekt aber ab, so dass die Zündstabilität gleichbleibend hoch ist. Durch die niedrigeren Geschwindigkeiten der Zündfackeln beim Durchtritt durch die Überströmöffnungen wird aber die abrasive Wirkung der Zündfackeln insbesondere auf die Bohrungsränder der Überströmöffnungen 10 verringert, was wiederum dazu führt, dass die Betriebsstandzeit der Zündvorrichtung 1 ansteigt und ihr Wartungsaufwand verringert wird.
Hinsichtlich vorstehend im Einzelnen nicht näher erläuterter Merkmale der Erfindung wird im Übrigen ausdrücklich auf die Einsprechende Zeichnung verwiesen.
Bezugszeichenliste

1: Zündvorrichtung
2: Gehäuse
3: Innenausnehmung
4: Vorkammer
5: Vorkammerbauch
6: Zündkerze
7: Vorkammerhals
8: sich erweiternder Bereich
9: Boden
10: Überströmöffnungen
11: Hauptbrennkammer
12: Steg

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102007015036 A1 [0004]

Claims

Zündvorrichtung (1) zum Zünden eines Gasgemisches in einer Hauptbrennkammer (11) einer mittels Gas betriebenen Brennkraftmaschine, wobei die Zündvorrichtung (1) ein Gehäuse (2) mit einer eine Vorkammer (4) ausbildenden Innenausnehmung (3) mit einer Zündfunken bereit stellenden Einrichtung (6) zur Entzündung eines Gasgemisches in der Vorkammer (4) besitzt und das Gehäuse (2) Überströmöffnungen (10) zum Durchtritt von Zündfackeln aus der Vorkammer (4) in die Hauptbrennkammer (11) zur Zündung des Gasgemisches in der Hauptbrennkammer (11) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenausnehmung (3) einen sich in Richtung zu den Überströmöffnungen (10) hin querschnittlich erweiternden Bereich (8) aufweist.
Zündvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (8) eine sich von einem zylindrischen Abschnitt (7) ausgehende kegelförmig erweiternde Innenausnehmung mit einem Boden (9) aufweist, oberhalb dem eine Mehrzahl sich weitgehend radial nach außen erstreckender Bohrungen angeordnet sind, die die Außenwand des Gehäuses (2) durchsetzen.
Zündvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (8) eine sich von einem zylindrischen Abschnitt ausgehende Innenausnehmung aufweist, deren Außenkontur kugelkappenförmig ausgebildet ist, an deren Kappenaußenfläche sich weitgehend radial nach außen erstreckende Bohrungen angeordnet sind, die die Außenwand des Gehäuses (2) durchsetzen.
Zündvorrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen in einem sich von einem rechten Winkel relativ zu einer Längsmittelachse des zylindrischen Abschnitts (7) unterscheidenden Winkel angeordnet sind.
Zündvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der sich erweiternde Bereich (8) einen Innendurchmesser aufweist, der dem etwa 1 bis 1,5-fachen, vorzugsweise dem etwa 1,1 bis 1,4-fachen, vorzugsweise dem etwa 1,2 bis 1,3-fachen des Innendurchmessers des zylindrischen Abschnitts (7) entspricht.
Zündvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenausnehmung (3) im Bereich der Zündfunken bereit stellenden Einrichtung (6) querschnittlich weitgehend zylindrisch ausgebildet ist mit einem Innendurchmesser, der größer ist als der Innendurchmesser des in den sich erweiternden Bereich (8) übergehenden Abschnitts.
Zündvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) eine langgestreckte zylinderförmige Außenform mit sich entlang der Längsersteckung des Gehäuses (2) zumindest abschnittsweise veränderndem Außendurchmesser besitzt.
Zündvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen Außenrändern der Austrittsöffnungen zur Hauptbrennkammer (12) benachbarter Überströmöffnungen (10) etwa dem 0.13 bis 0.15-fachen der Querschnittsbreite des Gehäuses (2) im Bereich der Überströmöffnungen (10) beträgt.