DE102014011691A1 - Anordnung aus einem Zylinderkopf und einem Vorkammersystem - Google Patents

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Abstract

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

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung aus einem Zylinderkopf und einem Vorkammersystem für einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Insbesondere bei Gasmotoren, aber auch bei Verbrennungsmotoren im Allgemeinen, können Vorkammersysteme zur Zündung eines Brenngemischs in einer Hauptbrennkammer eingesetzt werden. Diese Vorkammersysteme verfügen meist über eine Vorbrennkammer, in der ein relativ leicht entzündliches Brenngemisch entzündet werden kann. Es entsteht eine Zündfackel, die über einen Steigkanal und Bohrungen dem Hauptverbrennungsraum zugeführt wird.
  • Dieses beschriebene Vorkammersystem wird meist in einem einstückigen Bauteil angeordnet, welches dann in einer Öffnung der Feuerplatte montiert wird. Als Feuerplatte wird derjenige Teil des Zylinderkopfes bezeichnet, der den Hauptbrennraum im Bereich der Zündvorrichtung – in diesem Fall also das Vorkammersystem – begrenzt.
  • In den meisten Fällen sind das Vorkammerbauteil sowie die Feuerplatte diejenigen Bauteile des Verbrennungsmotors, die den höchsten Belastungen ausgesetzt werden. Insbesondere treten hier einige der höchsten Temperaturen während des Betriebs des Verbrennungsmotors auf. Folglich sind die Standzeiten des Vorkammersystems und der Feuerplatte entscheidende Faktoren für die Langlebigkeit von gattungsgemäßen Verbrennungsmotoren. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung aus einem Zylinderkopf und einem Vorkammersystem bereitzustellen, die gegenüber dem Stand der Technik verlängerte Standzeiten erlaubt.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Dies geschieht, indem eine das Vorkammersystem im Wesentlichen umgebende Kühlkavität vorgesehen ist, welche in der Feuerplatte und/oder in jenem Bereich des Vorkammersystems, welcher sich in der Öffnung befindet, angeordnet ist. Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass bezüglich der Standzeit die durch die Kühlung verringerte thermische Belastung die mechanische Schwächung der beteiligten Bauteile aufwiegt. Diese Bauteile also die Feuerplatte und im Regelfall ein Vorkammerbauteil sowie allfällige Dichtungen halten also die auftretenden mechanischen Beanspruchungen trotz dem Vorhandensein der Kühlkavität aus und sind aufgrund der verringerten Temperatur zu erhöhten Standzeiten fähig.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Besonders einfach kann die erfindungsgemäße Kühlkavität realisiert werden, indem wenigstens ein Vorkammerbauteil eine umgebende Nut aufweist, welche zusammen mit einer Innenwandung der Öffnung der Feuerplatte die Kühlkavität bildet, wobei die Innenwandung der Öffnung vorzugsweise im Wesentlichen radial bezüglich einer Längsachse des Vorkammersystems angeordnet ist.
  • Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform mit Kanälen zum Zuführen und Abführen eines Kühlmediums, welche mit der Kühlkavität verbunden sind. Durch den ständigen Austausch des Kühlmediums in der Kühlkavität kann die Wärmeabfuhr verbessert werden.
  • Um zu vermeiden, dass Kühlmedium aus der Kühlkavität austritt sind bevorzugt zwei – vorzugsweise ringförmige – Dichtungen zum Abdichten der Kühlkavität vorgesehen.
  • Eine besonders einfache Bauweise für die Kanäle kann erreicht werden, indem die Kanäle – vorzugsweise vollständig – in der Feuerplatte angeordnet sind.
  • Besonders bevorzugt ist außerdem eine Ausführungsform, bei der die Kühlkavität eine Eintrittsöffnung und eine von der Eintrittsöffnung beabstandete Austrittsöffnung für Temperiermedium aufweist, wobei die Eintrittsöffnung und die Austrittsöffnung jeweils mit Kanälen verbunden sind. Dank des im Betrieb ständig vorbeiströmenden Kühlmediums kann die Wärmeabfuhr, die durch die Kühlkavität ermöglicht wird, weiter verbessert und optimiert werden.
  • Als Kühlmedium können Flüssigkeiten zum Einsatz kommen. Aufgrund ihrer Wärmekapazität und ihrer Wärmeleitungseigenschaften sind dabei Wasser, wässrige Gemische oder Öl besonders bevorzugt.
  • Es können aber auch Gase, insbesondere Druckluft, als Kühlmedium zum Einsatz kommen. Dies hat gegenüber Flüssigkeiten als Kühlmedium den Vorteil, dass kleine Leckagen tolerierbar sein können und deshalb weniger Aufwand zur Abdichtung der Kühlkavität und gegebenenfalls der Kanäle getrieben werden muss.
  • Bevorzugt ist weiterhin eine Ausführungsform bei der die Kühlkavität im Wesentlichen ringförmig ist. Hierdurch wird eine gleichmäßige Wärmeabfuhr in alle Richtungen ermöglicht.
  • Dadurch, dass die Kühlkavität bezüglich einer Längsachse des Vorkammersystems einen im Wesentlichen polygonalen Querschnitt aufweist, kann die Kühlkavität an die Form des Vorkammersystems angepasst werden. Eine weiter verbesserte Wärmeabfuhr ist die Folge.
  • Dies gilt insbesondere dann, wenn das Vorkammersystem einen Steigkanal und Bohrungen zur Führung einer Zündfackel zum Hauptbrennraum umfasst, wobei die Kühlkavität im Wesentlichen den Steigkanal umgibt.
  • Des Weiteren wird Schutz für einen Verbrennungsmotor mit einem erfindungsgemäßen Zylinderkopf begehrt.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der Figuren sowie der dazugehörigen Figurenbeschreibung. Dabei zeigen:
  • 1 eine erfindungsgemäße Anordnung aus einem Zylinderkopf und einem Vorkammersystem und
  • 2 eine schematische Schnittdarstellung durch die erfindungsgemäße Anordnung in der Ebene der Kühlkavität.
  • 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf 1 mit Vorkammersystem 2 in einer Schnittdarstellung. Das Vorkammersystem 2 umfasst in dieser Ausführungsform eine Vorbrennkammer 15, einen Steigkanal 13 sowie mehreren Bohrungen 14. Das Vorkammersystem 2 ist in einer Öffnung 4 der Feuerplatte 3 angeordnet. Der einfachen Fertigung halber sind diese Teile des Vorkammersystems 2 in einem einzigen Vorkammerbauteil 7 angeordnet. Die Kühlkavität 6 umgibt den Steigkanal 13 ringförmig.
  • Die Kühlkavität 6 wird im Wesentlichen von einer Nut 8 im Vorkammerbauteil 7 zusammen mit einer Innenwandung 9 der Öffnung 4, in welcher das Vorkammerbauteil 7 angeordnet ist, gebildet. Zur Abdichtung der Kühlkavität 6 sind zwei als Dichtungsringe ausgebildete Dichtungen 11 vorgesehen.
  • Die Form der Kühlkavität 6 ist der rohrförmigen Form des Steigkanals 13 angepasst, indem eine dem Steigkanal 13 zugewandte Begrenzungsfläche der Kühlkavität 6 zylindermantelförmig ist. Zusammen mit Flächen, die zur Fixierung der Dichtungen 11 dienen, ergibt sich radial bezügliche einer Längsachse L ein polygonaler Querschnitt der Kühlkavität 6.
  • In diesem Ausführungsbeispiel ist das Vorkammersystem im Wesentlichen symmetrisch bezüglich der Längsachse L. Dies ist aber für die Erfindung nicht wesentlich.
  • Die Innenwandung 9 der Öffnung 4 in der Feuerplatte 3 weist eine Eintrittsöffnung 17 und eine Austrittsöffnung 18 auf. Durch diese Öffnungen ist die Kühlkavität 6 mit zwei Kanälen 12 verbunden. Diese Kanäle 12 ermöglichen die Zufuhr und die Abfuhr von Kühlmedium zur und von der Kühlkavität 6. Die Fließrichtung ist dabei durch Pfeile angedeutet.
  • Eine einfache Fertigung der Kanäle wird erreicht, indem in Abwesenheit des Vorkammerbauteils 7 zwei zueinander rechtwinklige Bohrungen durchgeführt werden, wobei die eine Bohrung in der Ebene der Feuerplatte verläuft und die andere senkrecht dazu. Diese senkrechte Bohrung erlaubt es auf einfache Weise Kühlmedium in den Kühlmantel 16 des Zylinderkopfes 1 zu fördern.
  • 2 stellt einen schematischen Schnitt durch die Feuerplatte 3 und das Vorkammersystem 2 in der Ebene der Kühlkavität 6 dar. Die Kühlkavität 6 umgibt das Vorkammersystem 2 im Bereich des Steigkanals 13. Durch die Eintrittsöffnung 17 wird über einen Kanal 12 von einer schematisch dargestellten Pumpe 19 Kühlmedium in die Kühlkavität 6 gefördert. Die durch Pfeile angedeutete Strömung verlässt die Kühlkavität 6 durch die Austrittsöffnung 18. Über den Kanal 12 gelangt das Kühlmedium wieder zur Pumpe 19.
  • Typischerweise ist die Pumpe 19 so ausgebildet, dass in der Kühlkavität 6 Strömungsgeschwindigkeiten von 0,5 m/s bis 10 m/s erreicht werden.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die hier darstellte Ausführungsform beschränkt. Beispielsweise kann statt der Nut 8 im Vorkammerbauteil 7 jeweils eine Stufe im Vorkammerbauteil 7 und in der Feuerplatte 3 vorgesehen sein, welche in Zusammenwirkung die Kühlkavität 6 bilden. Es ist aber auch ohne weiteres möglich, die Kühlkavität in das Vorkammerbauteil zu integrieren. Aber auch eine Kühlkavität, die ringförmig um die Öffnung angeordnet ist und vom Vorkammerbauteil 7 beabstandet ist, ist denkbar.

Claims (13)

  1. Anordnung aus einem Zylinderkopf (1) und einem Vorkammersystem (2) für einen Verbrennungsmotor, wobei der Zylinderkopf eine Feuerplatte (3) zur Begrenzung einer Hauptbrennkammer (5) aufweist und das Vorkammersystem (2) zumindest teilweise in einer Öffnung (4) der Feuerplatte (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine das Vorkammersystem (2) im Wesentlichen umgebende Kühlkavität (6) vorgesehen ist, welche in der Feuerplatte (3) und/oder in jenem Bereich des Vorkammersystems (2), welcher sich in der Öffnung (4) befindet, angeordnet ist.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorkammersystem (2) in wenigstens einem Vorkammerbauteil (7) angeordnet ist.
  3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Vorkammerbauteil (7) eine umgebende Nut (8) aufweist, welche zusammen mit einer Innenwandung (9) der Öffnung (4) der Feuerplatte (3) die Kühlkavität (6) bildet, wobei die Innenwandung (9) der Öffnung (4) vorzugsweise im Wesentlichen radial bezüglich einer Längsachse (L) des Vorkammersystems (2) angeordnet ist.
  4. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei – vorzugsweise ringförmige – Dichtungen (11) zum Abdichten der Kühlkavität (6) vorgesehen sind.
  5. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Kühlkavität (6) verbundene Kanäle (12) zum Zuführen und Abführen eines Kühlmediums vorgesehen sind.
  6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (12) – vorzugsweise vollständig – in der Feuerplatte (3) angeordnet sind.
  7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkavität (6) eine Eintrittsöffnung (17) und eine von der Eintrittsöffnung (17) beabstandete Austrittsöffnung (18) für Temperiermedium aufweist, wobei die Eintrittsöffnung (17) und die Austrittsöffnung (18) jeweils mit Kanälen (12) verbunden sind.
  8. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmedium Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, wässrige Gemische oder Öl, verwendbar sind.
  9. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmedium Gase, insbesondere Druckluft verwendbar sind.
  10. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkavität (6) im Wesentlichen ringförmig ist.
  11. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkavität (6) bezüglich einer Längsachse (L) des Vorkammersystems (2) einen im Wesentlichen polygonalen Querschnitt aufweist.
  12. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorkammersystem (2) einen Steigkanal (13) und Bohrungen (14) zur Führung einer Zündfackel zum Hauptbrennraum (5) umfasst, wobei die Kühlkavität (6) im Wesentlichen den Steigkanal (13) umgibt.
  13. Verbrennungsmotor mit einer Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12.
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